beiträge zur reaktionskinetischen untersuchung der

Beiträge zur reaktionskinetischen

Untersuchung der säureinduzierten

Anilin-Formaldehyd-Kondensation

Von der Fakultät Chemie der Universität Stuttgart

zur Erlangung der Würde eines Doktors der

Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung

Vorgelegt von

Diplom-Chemiker Vladimir Knjasev

aus Omsk

Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. H. Hasse

Mitberichter: Prof. Dr. S. Laschat

Tag der mündlichen Prüfung: 13.11.2009

Universität Stuttgart

Institut für Technische Thermodynamik

und Thermische Verfahrenstechnik

Prof. Dr.-Ing. H. Hasse

2007

Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

VERZEICHNIS DER VERWENDETEN SYMBOLE III

LISTE DER SPEZIES VII

ABSTRACT XI

1 EINFÜHRUNG UND PROBLEMSTELLUNG 1

2 GRUNDLAGEN 4

2.1 Stand des Wissens………………………………...……..…………………. 4

2.1.1 Reaktionsmechanismus………………………………………….…...… 5

2.1.2 Reaktionskinetische Daten……………………………….………….…. 28

2.1.3 Einfaches reaktionskinetisches Modell………………….……...……… 33

2.1.4 Thermochemische Daten……………………………………...….…….. 36

2.2 Reaktionsmonitoring der An-FA-Kondensation…….…..…………………. 39

2.2.1 Allgemeines……………………………………………….…….……… 39

2.2.2 NMR-Spektroskopie. Grundlagen…………………………….…….…. 40

3 UNTERSUCHUNGEN AN TECHNISCHEN SYSTEMEN 56

3.1 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse………………….……. 56

3.2 Phasenstand und allgemeine Untersuchung des PA-HCl-H2O-

Systems…………………………….…………..……………………………. 69

3.2.1 Experimentelles……………………………………………………….... 69

3.2.2 Temporäre Reaktionsgebiete der Anilin-Formaldehyd-Kondensation.... 70

3.2.3 Komponentenverteilung zwischen den Phasen……………………..…. 72

3.2.4 Auswertung und Diskussion………………………..…………….…….. 79

II Inhaltsverzeichnis

4 PHASENGLEICHGEWICHTE IM SYSTEM ANILIN - ANILINHYDROCHLORID -

- WASSER 86

4.1 Experimentelles……………………………………………………………… 86

4.1.1 Synthetische Methode………………………………………………..… 87

4.1.2 Analytische Methode……………………………….……….…….…… 88

4.1.3 Bestimmung des Wassergehaltes………………………………………. 89

4.1.4 Bestimmung des Säuregehaltes………………………………………... 89

4.1.5 Messgenauigkeit……………………………………………………….. 90

4.2 Ergebnisse und Diskussion……………………………………….………... 92

5 UNTERSUCHUNG DER N-METHYLIERUNG AN MODELLSYSTEM 94

5.1 Auswahl des Modellsubstrats……………………………….……………… 94

5.2 Umwandlungen in TMA-FA-HCl-System………………………………… 95

5.3 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse……………………… 97

5.4 Experimentelle Untersuchungen…………………………………………… 103

5.4.1 Bestimmung der Konzentration des pauschalen Formaldehyds………. 103

5.4.2 Auswahl der Reaktionsbedingungen…………………………………… 106

5.4.3 Experimentelles Vorgehen…………………………..………………… 107

5.4.4 Ergebnisse der kinetischen Messungen……………………………….. 108

5.4.5 Diskussion zum Reaktionsmechanismus……………………………… 125

5.4.6 Weitere Experimente zur Aufklärung des Reaktionsmechanismuses..... 129

6 ZUSAMMENFASSUNG 152

LITERATURVERZEICHNIS 175

Anhang

A EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE ZUM PHASENVERHALTEN DES ANILIN -

- ANILINHYDROCHLORID – WASSER - SYSTEMS 155

B EXPERIMENTELLES

Nomenklatur III

Verzeichnis der verwendeten Symbole

[K] Liter-Molarität der Komponente K.

Lateinisch

B Magnetfeldstärke

ck Molalität der Komponente k im Bezug auf kg des Reaktionsgemisches, mol/kg

E Energie

F Korrekturfaktor

ho, molare Standardbildunsgenthalpie

h Plancksches Wirkungsquantum

I Spinquantenzahl

I Intensität

J Kopplungskonstante

lb Line-Broadening Parameter

M mol/dm3

Mk Molmasse der Komponente k

mk Masse der Komponente k

K(i) konzentrationsbasierte Gleichgewichtskonstante der reversiblen Reaktion i

Kk Verteilungsquotient der Komponente k

KS Dissoziationskonstante einer Säure

k(i) Geschwindigkeitskonstante der Reaktion i

kN Geschwindigkeitskonstante der Reaktion der pseudo-N-er Ordnung

m Magnetische Quantenzahl

N Normalität

R Universelle Gaskonstante

ri Geschwindigkeit der Reaktion i

IV Nomenklatur

T Temperatur in °C bzw. Kelvin

t Zeit

T1 longitudinale Relaksationszeit

T2* Effektive transversale Relaksationszeit

V Volumen

xk Molanteil der Komponente k

Griechisch

γ magnetogyrisches Verhältnis

δ chemische Verschiebung

µ Ionenstärke

ν Frequenz

ν1/2 Halbwertbreite des Signals

∆ Differenz

σ Abschirmungskonstante

Indizes (hochgestellt)

' Anilinreiche Phase

'' Wasserreiche Phase

ά, β, I, II, III kinetische Ordnung bezüglich einzelner Komponente

calc berechnete Größe

DMSO in Lösung von Dimethylsulfoxid

Nomenklatur V

Indizes (tiefgestellt)

0 Anfangsbedingungen

1/2 Halbwert-

eff effektiv

obs beobachtete („observed“)

p Puls

max Maximum

org organikreiche Phase

pr Protonierung

r Wiederholung- („repetition“)

red Reduktion

res Resonanz

stoich stöchiometrisch

was wasserreiche Phase

Abkürzungen

ABA N-Aminobenzylanilin (ein der Isomere)

An Anilin

AS Ameisensäure

D. Doublett

d1 Wartungszeit (delay) zwischen den Pulssequenzen

DMSO Dimethylsulfoxid

F-TMA N-Formil-2,4,6-trimethylanilin

EE Diäthylether

FA pauschaler Formaldehyd

FID free induction decay

VI Nomenklatur

n=0

FM-TMA N-Formil-N-methyl-2,4,6-trimethylanilin

K Kern

nt Anzahl von Pulssequenzen (number of transients)

M N-Methylfunktionalität

MDA Methylendianilin (ein der Isomere)

M-TMA N-Methyl-2,4,6-trimethylanilin

M2-TMA N,N-Dimethyl-2,4,6-trimethylanilin

Men-TMA N-Methylen-2,4,6-trimethylanilin

MNDO Modified Neglect of Differential Overlap

o-, p- ortho-, para-

PA Polyamin

PE Petrolether

PFT Puls-Fourier-Transformation

S. Singulett

S. Satellit

Schmp. Schmelzpunk

Sdp. Siedepunkt

S/N Signal-to-noise ratio

T. Triplett

TMA 2,4,6-Trimethylanilin (2,4,6-Mesidin)

Definitionen

[FA] = [CH2O] + ∑[HO(CH2O)nCH2OH] + [Triazin] + [N-Methylenaniline]

+ [N-Hydroxymethylaniline]

Mittlere Funktionalität φ – mittlere Zahl der NH2- und NH-Gruppen pro eine Molekül

des Kondensationsprodukts;

[TMAstoich] = [TMA] + [TMA·H+].

Nomenklatur VII

Liste der Spezies

Num. Strukturformel Systematischer Name Technischer oder trivia-

ler Name 1 2 3 4

1

Anilin

2

(n+2)-kerniges oligo-(methylenphenylamin);

(n+2)-kerniges oligo-MDA;

3

2,4’-Diaminodiphenyl-methan

2,4’-Methylendianilin

4



5



6

N-Hydroxymethylanilin Karbinolanilin

7

N,N’-Diphenylmethy-lendiamin

Aminal; N,N’-Methylendianilin

8

1,3,5-Triphenyl-s-hexahydrotriazin

Triazin

9

N-Methylenanilin

NH2

NH2

NH2

NH2

n

NH2

NH2

NH2NH

2

NH2

NH2

N OHH

N NH H

N N

N

Ph

PhPh

N

VIII Nomenklatur

Liste der Spezies (Fortsetzung)

1 2 3 4

10

α-Anilinomethylen-ω-anilinooligo(phenylimino-mithylen)

oligo-Aminal

11

1,3,5,7-Tetraphenyl-s-oktahydrotetrazin

12

13

N-(4-Anilinomethyl)anilin p-Aminobenzylanilin

14

N-(2-Anilinomethyl)anilin o-Aminobenzylanilin

15

o,p-(o,p-Anilinomethylani-linomethyl)anilin

3-kerniges ABA; 3K-ABA

16

o,p-bis-Anilinomethylani-lin

(3K-ABA)

17

o,p-(4-Aminobenzyl)-o,p-anilinomethylanilin

3K-ABA-MDA

18

α-Hydro-ω-anilinooligo-(imino-o,p-phenylen-methylen)

oligo-ABA

NR1R1

R2

N

HNH

2

N

N

N

NPh

Ph

Ph

Ph

NH N NH

n

N

H

NH2

N

H

N

H

NH2

NH2

N

H

N

H

N

H NH2NH

2

N

H

N

H

n

H

Nomenklatur IX


1 2 2 4

19

Methylen-(2-anilino-methyl)-phenyl-immonium Kation

20

3-Phenyl-1,2,3,4-tetra-hydrochinazolin

Tetrachin

21

5,6,11,12-Tetrahydro-dibenzo[b,f]-1,5-diazocin

Dibenzodiazochin

22

6H,12H-5,11-Methano-dibenzo[b,f]-1,5-diazocin

Trögerischen Base

23

4-(4-Aminobenzyl)-2-aminophenylmethyl Kation

24

2,4-Bis-(4-amino-benzyl)-phenylamin

3-kerniges MDA; 3K-MDA

25

N-Methylanilin

26

2,4,6-Trimethylanilin Mesidin; TMA

27

N-Methylen-2,4,6-trimethylanilin

Men-TMA

NH2

NH2

NH2

NCH

2

N

N+

N

N

N

N

N

N

NH2

NH2

+

NHCH3

NH2

X Nomenklatur


1 2 3 4

28

N-Methyl-2,4,6-trimethyl-anilin

M-TMA

29

N,N-Dimethyl-2,4,6-trimethyl-anilin

M2-TMA

30

N-(2,4,6-Trimethyl-phenyl)-formamid

N-Formamido-trimethylanilin;

F-TMA

31

N-Methyl-N-(2,4,6-trimethyl-phenyl)-formamid

N-Formamido-N-methyl-trimethylanilin;

FM-TMA

32

(2,4,6-Trimethylanilino)-methanol

N-Hydroxymethyl-TMA

33

Di(chlormethyl)ether

K1

Methylen-phenylimmonium Kation

K1

K2

Aminophenylmethyl-Kation

K2

K3

Methylen-(2,4,6-trimethyl-phenyl)immonium Kation

K3

NHCH3

N(CH3)2

NHCHO

N(CHO)CH3

NHCH2OH

OCl Cl

N+

NH2

+

N+

Abstract XI

Abstract

The mechanism of the acid catalysed condensation of aniline and formaldehyde was studied

under the experimental conditions, typical for the industrial procedure. The online-flow

and conventional “tube” techniques of the 1H- and 13C-NMR-(DEPT) experiments were

tested and shown to provide more information about a structure and concentration of reac-

tion intermediates than the usually applied chromatographic methods of analysis. Also aver-

age molecular weight and degree of conversion can be estimated. Some compounds of un-

known structure were found to be principal intermediate products of the condensation

process, that impose considerable restrictions on the application of the well-known reaction

mechanism proposed by Wagner as a basis for simulation model. Kinetic of a one individ-

ual reaction of the condensation process, leading to the formation of the N-methylated com-

pounds (“Ploechl methylation”) was investigated through a judicious choice of a model

substrate – 2,4,6-trimethylaniline. The reaction in water medium was found to be kinetically

of first-order with respect to aniline, second-order with respect to formaldehyde and zero-

order with respect to hydrochloric acid. The reaction in aniline medium was found to be ki-

netically of first-order with respect to hydrochloric acid, second-order with respect to for-

maldehyde and zero-order with respect to water. Rate constants and activation energy are re-

ported. A probable mechanism of the Ploechl methylation was suggested to account for this

data. The pathway in aniline medium includes reversible reaction of unprotonated aromatic

amine with the first formaldehyde molecule to give Schiff base, followed by acid catalysed

reduction with the second formaldehyde molecule. Schiff base was shown to be a stable in-

termediate and could be preparative isolated from the reaction mixture. The reduction step is

deduced to be rate-limiting in the investigated pH-range. The proportion of mono- to di-

methylated products could be explained by the contribution of two other processes – Leu-

kart-Wallach reaction and catalytic transfer of methyl groups.

XII Abstract

Kurzfassung

Die säurekatalysierte Kondensation von Anilin und Formaldehyd wurde unter den experi-

mentellen Bedingungen untersucht, die typisch für das industrielle Produktverfahren sind.

Die NMR–Spektroskopie wurde eingesetzt, um die Kinetik dieser Reaktion zu erfassen und

deren Mechanismus aufzuklären. Ein Vorteil gegen den traditionell verwendeten für die

Prozessanalytik chromatographischen Analysemethoden besteht in der wesentlich höheren

Aussagekraft bei Nachweis und Quantifizieren Zwischenprodukte. Die Tauglichkeit der

„Online“- und konventionellen Röhrchen-Techniken der 1H- und 13C-NMR-Experemente

wurde getestet. In einfachen Weg lassen sich Umwandlungsgrad und mittleres Mollgewicht

abschätzen. Es konnte die Bildung von bislang nicht identifizierten Zwischenprodukten des

Kondensationsprozesses nachgewiesen werden. Das führt zu beträchtlichen Einschränkungen

auf die Anwendung des von Wagner vorgeschlagenen bekannten Reaktionsmechanismus als

Basis für Simulationsmodelle. Die Kinetik einer der Reaktionen des Kondensationsprozesses,

die zur Bildung von N-methylierten Verbindungen führte (PLÖCHL-Methylierung), wurde

mit einer Modellsubstanz – 2,4,6-Trimethylanilin untersucht. Für wasserreiches Medium

wurde zweite Ordnung bezogen auf Formaldehyd, erste Ordnung bezogen auf Amin und

nullte Ordnung bezogen auf HCl gefunden. Die Messungen im anilinreichen Medium erga-

ben eine Reaktion zweiter Ordnung bezogen auf Formaldehyd, erster Ordnung bezogen auf

HCl und nullte Ordnung bezogen auf H2O. Geschwindigkeitskonstanten und Aktivierungs-

energie sind angegeben. Die ermittelten Daten sind konsistent mit einem zweistufigen Me-

chanismus der PLÖCHL-Methylierung. Der Reaktionsweg im anilinreichen Medium beinhal-

tet die reversible Bildung von Schiffscher Base durch die Reaktion vom unprotonierten

aromatischen Amin mit dem ersten Formaldehyd Molekül, gefolgt von der säurekatalysierten

Reduktion durch das zweite Formaldehyd Molekül. Schiffscher Base wurde als stabiles

Zwischenprodukt entdeckt, welches man präparativ vom Reaktionsgemisch isolieren konnte.

Als geschwindigkeitsbestimmende Stufe wurde Reduktionsschritt hergeleitet. Das Verhältnis

von mono- zu dimethylierten Produkten konnte durch Beitrag von mindestens 2 anderen

Prozessen erklärt werden – LEUKART-WALLACH-Methylierung und Übertragung der N-

Methylfunktionalität zwischen den Aminen.

Einführung und Problemstellung 1

Abbildung 1: Jährlicher Verbrauch von Polyurethanen (1970 bis 2009) (links); Verbrauch in Westeuropa nach Anwendungsgebieten (rechts) [1]

1 Einführung und Problemstellung

Die Kondensation von Anilin und Formaldehyd in Gegenwart einer starken Säure gehört zu

den in der chemischen Industrie in großem Maßstab durchgeführten Prozessen. Das entste-

hendes Polyamingemisch, das im wesentlichen aus Methylendianilin-Isomeren (MDA) und

ihren höheren Oligomeren besteht, wird hauptsächlich als Zwischenprodukt bei der Herstel-

lung entsprechender Isocyanate für die Polyurethansynthese verwendet. Die Produktions-

menge an Polyurethanen beträgt zur Zeit circa 12 Mio. to und wächst um etwa 6% pro Jahr.

Diese Entwicklung ist zum einen auf Weiter- und Neuentwicklungen von Produkten, An-

wendungen und Verarbeitungsverfahren, zum anderen auf interessante Wachstumsmärkte

wie den Automobilbau, wärmedämmende technische Verbundsysteme sowie den Bereich

Sport und Freizeit zurückzuführen (Abbildung 1).

Die Qualität der Polyurethane wird bereits in der Kondensationsstufe des Amins entschei-

dend geprägt. Das Isomerenverhältnis, die Molekulargewichtsverteilung sowie Viskosität

und Farbe des Amingemischs sind von großer Bedeutung [2]. Die als Nebenprodukte gebil-

0

2

4

6

8

10

12

14

1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006

Jahr

Jäh

rlic

her

Ver

bra

uch

/ M

io.t

28%26%

25% 17%

4%

Möbel, Matratzen

Isolierungen

Automobil

Andere

Schuhe

2 Einführung und Problemstellung

deten N-methylierten Komponenten und Chinazoline führen schon in geringer Konzentrati-

on zur Qualitätsminderung des Endprodukts, da sie bei der zweiten Stufe – einer Phosgenie-

rung - nicht zu Isocyanat umsetzbar sind, sondern unerwünschte chlorhaltige Komponente

ergeben.

In der Literatur (es handelt sich hauptsächlich um Patente) sind zahlreiche Experimente be-

schrieben, in denen man durch die Anpassung der Syntheseparameter eine gezielte Verände-

rung der Zusammensetzung des Kondensationsproduktes erreichte, siehe z.B. [2 – 23]. Ge-

testet wurde nicht nur der Einfluss der Temperatur, der Verweilzeit, des Einsatz-

mengenverhältnisses, des Katalysators, sondern auch des Reaktorprinzips und der Betriebsart

(kontinuierlich oder batch). Die in diesen Arbeiten angewandte Untersuchungsmethode kann

als „empirische“ oder „Trial-und-Error“ bezeichnet werden: man variiert stufenweise in vor-

bestimmten Grenzen ein oder mehrere Prozessparameter und bestimmt die „Antwort“ des

Systems (sogenannte “Polyfaktorialanalyse“). Der Einsatz entsprechender Computerpro-

gramme ermöglicht es heute, mit geringem experimentellem Aufwand in kurzer Zeit die

Aufgabe der Prozessoptimierung zu lösen. Die Nachteile dieser Methode liegen auf der

Hand: in vielen Fällen ist die Aussagekraft unzureichend, da der getestete Konfigurations-

raum eingeschränkt ist. Eine Erweiterung der Parameterbasis führt zu einer exponentiellen

Steigerung des Zeit- und Finanzaufwands.

Alternativ gibt es den prinzipiell anderen Weg zur modelgestützten Prozessoptimierung mit-

tels Simulationen des Systems. Dieses Verfahren ist einerseits durch die höhere Vorhersage-

fähigkeit in der Auslegung der Synthese gekennzeichnet, andererseits kann diese Methode

auch unmittelbar in der operativen Prozesskontrolle und Steuerung eingesetzt werden. Be-

sonders gute Anwendungschancen scheint die Computersimulation im Design neuer kom-

plizierter Technologien zu haben, z.B. in Verfahren mit integrierter Fraktionierung zur Rei-

nigung von Polyamingemischen [25, 26], oder in Verfahren, die der Reaktivdestillation

ähneln [27, 28].

Das Erstellen des Simulationsmodelles setzt zuverlässige Kenntnisse über die thermophysi-

kalischen Eigenschaften, das Reaktionsnetz und die Kinetik des betreffenden Prozesses vor-

aus. Wegen der Komplexität des betrachteten Reaktionssystems gibt es in der Literatur bis-

lang nur wenige Arbeiten zur kinetischen Untersuchung der einzelnen Stufen der Anilin-

Formaldehyd-Kondensation [29 – 33]. Diese Daten sind jedoch unter Bedingungen ermittelt,

Einführung und Problemstellung 3

die stark von denen im Betrieb abweichen. Sie sind viele Jahre alt und kaum für die Simula-

tionen verwendbar.

In dieser Arbeit wurden folgende Studien in Rahmen des Projekts „Monitoring der säurein-

duzierten Anilin-Formaldehyd-Kondensation“ durchgeführt:

1. Untersuchung des Phasenverhaltens des Polyamin-Fa-HCl-H2O-Gemisches und der

Komponentenverteilung zwischen den Phasen im Reaktionsverlauf als Voraussetzung

für das Verständnis der Vorgänge im Reaktionssystem unter produktionsrelevanten Be-

dingungen.

2. Experimentelle Untersuchungen von Phasengleichgewichten im System Anilin-

Anilinhydrochlorid-Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen. In vielen Beschreibun-

gen der Prozessdurchführung dient Anilin nicht nur als Reagenz, sondern auch als Lö-

sungsmittel in den Kondensations- und Extraktionsstufen. Für ihre Optimierung sind

die Kenntnisse der Phasengleichgewichte erforderlich.

3. Reaktionskinetische Untersuchung der N-Methylierung. Diese unerwünschte Nebenre-

aktion tritt immer bei der säureinduzierten Amin-Formaldehyd-Kondensation auf. Da

die „direkte“ Untersuchung der N-Methylierung im Fall von Anilin nur schwer mög-

lich ist, wurde dieses durch kernmethyliertes Homolog Mesidin ersetzt. Die Resultate

sind auf das Anilin- Formaldehyd-System übertragbar.

4 2 Grundlagen

NH2

H+

NH2

NH2

NH2

n

2

+ H2O+ (CH2O)

1

Abbildung 2: Herstellung der Polyaminmischung in pauschaler Betrachtung

Abbildung 3: Zweikernige Endprodukte – Methylendianiline

NH2NH

2NH2

NH2

NH2

NH2

43 5

2 Grundlagen

2.1 Stand des Wissens

Entsprechend ihrer kommerziellen Bedeutung ist die säureinduzierte Kondensation von For-

maldehyd und Anilin zu einer Mischung der aromatischen Polyamine 2 mit n = 0 – 8 (Ab-

bildung 2) seit langer Zeit kontinuierlich Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen

gewesen.

Schon zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurden im wesentlichen die Zwischenprodukte

dieser Reaktion sowie auch die wichtigsten zweikernigen Endprodukte 2,4’-MDA 3 und

4,4’-MDA 4 (Abbildung 3) isoliert und identifiziert [34 – 36]. Später wurde der dritte zwei-

kernige Isomer 2,2’-MDA 5 charakterisiert. Grundzüge des Reaktionsmechanismus wur-

den systematisch in Arbeiten von Wagner et al. in 1937-1954 ermittelt [36 – 39] und seit-

dem nur in Einzelheiten konkretisiert und weiterentwickelt.

2.1 Grundlagen. Stand des Wissens 5

Abbildung 4: Reaktionsablauf der Anilin-Fa-Kondensation. Bildung der zweikernigen Produkte

N

H

N N

H H

NH2

NH2

NH2

NH2

Aminal

+ CH2O

- H2O

1

o-ABA bzw. p-ABA

MDA - Isomere

Kondensationsstufe (Bildung der „Vorkondensat-Bindungen“)

1. Umlagerungsstufe (Bildung der „ABA-Bindungen“

2. Umlagerungsstufe (Bildung der „MDA-Bindungen“

2.1.1 Reaktionsmechanismus

Nach Wagner [39], läuft die Herstellung der Polyamine in drei Hauptstufen ab: die Konden-

sationsstufe, der 1. Umlagerungsstufe und der 2. Umlagerungsstufe. Der Reaktionsablauf

für die Bildung der zweikernigen Produkte (MDA-Isomere) kann wie folgt dargestellt wer-

den:

In folgenden wird die Vielfalt der während dieser Reaktionsstufen laufenden Teilreaktionen

analisiert.

6 2 Grundlagen

N OHH

NH2

CH2O

- H2O

N

N NH H

N N

N

Ph

Ph

Ph

N-Hydroxymethylanilin

+

Aminal

Methylenanilin

Triazin

+ An

6 9

7 8

Abbildung 5: Stufe I: Bildung der primären Kondensationsprodukte

2.1.1.1 Kondensationsstufe

Als ersten Schritt der Kondensationsstufe, die in der Literatur oft auch als Vorkondensation

bezeichnet wird, formuliert man direkte Addition des Anilins an den freien Formaldehyd mit

der Bildung des N-Hydroxymethylanilins 6 [37 – 40]. Je nach Reaktionsbedingungen rea-

giert dieses hochlabilen primären Addukt sofort entweder mit zweitem Anilinmolekül zu

Aminal 7 (N,N’-Methylendianilin), oder trimerisiert zum Triazin 8. In manchen Quellen

(z.B. in der grundlegenden Arbeit von Wagner [39]) wurde auch die Bildung einer Schiff-

schen Base – Methylenanilin 9 als eine Zwischenstufe diskutiert. Diese Verhältnisse sind in

der Abbildung 5 dargestellt:

Aminal 7 und Triazin 8 sind relativ stabil nur in Abwesenheit der Säuren. Lösungen von 7

in Anilin (sog. Vorkondensationslösungen) werden deswegen auf einfache Weise durch neut-

rale Umsetzung von Formalin mit überschüssigem Anilin und Abtrennung der wässrigen

Phase erhalten. 7 und 8 wurden in der früheren Literatur oft als einzelne Produkte der Kon-

densationsstufe formuliert. Erst in einem Patent vom Jahr 1977 [11] sind quantitative An-

gaben gemacht, dass nur bei einem Einsatzmolverhältnis An:FA ≥ 4:1 die Lösungen von

Aminal 7 vorliegen, während sich bei einem geringeren Anilineinsatz auch mehrkernige


R1 = Me, Et, i-Pr R2 = H, 4-Br, 3-NO2

NR1R1

R2

N

N

N

NPh

Ph

Ph

Ph

N N N

n

121110

Vorkondensate der Art 10 (oligo-Aminal) bilden. Die Bildung von Triazin 8 sowie auch

von einem anderen zyklischen Allotrop – Tetrazocine 11 erfolgt nach Angaben [44, 46] in

wässrigen und organischen Lösungsmitteln in Abwesenheit der Säuren parallel zu 10 über-

wiegend bei einem Einsatzmolverhältnis An:FA ≈ 1:1 und niedriger.

Vorkondensate 8, 10, 11 erscheinen unter typischen für ihre Herstellung Bedingungen (d.h.

die Abwesenheit der Säuren und der großen Anilinüberschuss) als halbkristalline Ausfallun-

gen. Das erschwert die Untersuchung der Gleichgewichte zwischen diesen Produkten, die

quantitativen Angaben fehlen bislang in der Literatur. Die Struktur des oligo-Aminals 10

wurde in [11] nur aufgrund seiner Reaktivität festgestellt, ohne spektroskopische Nachweise.

Die meisten Autoren definieren ein der Addukte 6, 7, 9 als primäres Produkt der säureindu-

zierten Anilin-Formaldehyd-Kondensation. Diese Unbestimmtheit berührt darauf, dass bis-

lang keines von diesen aus einem säurehaltigen Reaktionsgemisch isoliert oder wenigstens

spektroskopisch nachgewiesen wurde. N-Hydroxymethylanilins 6 wurde in der Literatur oft

als Zwischenstufe postuliert [40], bzw. sogar als solche mittels MNDO berechnet [41], aber

isoliert und charakterisiert wurde bislang nur ein entsprechendes O-methyliertes Derivat,

welches unter bestimmten Voraussetzungen als Syntheseäquivalent für 6 fungieren kann

[42]. Die Nachweise der N-Hydroxymethylanilin-Bildung in den Publikationen [13, 14] sind

nicht befriedigend, denn die Daten, die nur aufgrund der Dynamik von UV-Spektren im

Fortlauf der An-Fa-Kondensation in hochverdünnten wässrigen Lösungen ermittelt wurden,

ermöglichen keine eindeutige Aussage zur Struktur der Addukte.

Die Schiffsche Base N-Methylenanilin 9 in kondensiertem Zustand konnte bislang ebenso

wenig wie ihr hydratisiertes Derivat 6 weder als Substanz noch spektroskopisch identifiziert

werden. Ihre monomere Form wurde nur in der Gasphase durch den Einsatz der speziellen

Analytik - Niedrigdruck-Gasphase-Elektron-Transmission– und Ultraviolet–Photon–Spe-

8 2 Grundlagen

ktroskopie nachgewiesen [44]. Guimanini et al. berichteten im Jahr 1988 [45] über die Syn-

these von einigen 2,6-substituierten N-Methylenanilinen 12 die unter speziellen trockenen

Bedingungen in Lösung in der Form eines Monomeres existieren. Diese Verbindungen spal-

ten mit Wasser wieder Formaldehyd ab. Während das N-Methylenanilin 9 unter konventi-

onellen nasschemischen Bedingungen in neutralem Medium die zyklischen Oligomere – Tri-

mer 8 und Tetramär 11 bildet [46], ruft die Einführung der Substituenten in ortho-Position

zum Stickstoff die Stabilisierung der monomeren Form in Lösung hervor. Jedoch existieren

alle Addukte 12 in Festzustand auch in Form von Tri- und Tetramären [45].

Der Unterschied in der Reaktivität von 9 und seinen nächsten Homologen 12 wurde bislang

noch nicht erklärt. Ein Versuch, ihn mit der Molekülgeometrie zu korrelieren, misslang [44].

Ergebnisse quantummechanischer Simulationen weisen keine eindeutige Präferenz für eine

planare oder orthogonale Konformation von 9 und 12 auf. Die MNDO-Analyse zeigt auch

eine sehr niedrige Rotationsbarriere von 6.3 kJ/mol für Iminogruppe in 9 (hingegen ab ini-

tio – 12.5 kJ/mol [109]) und eine geringe Abhängigkeit der negativen Ladung des Stickstoff-

atoms vom Dihedralwinkel für 9 und 12.

Die korrekte Feststellung der Struktur der primären Kondensate ist für das Verständnis des

Reaktionsmechanismuses von Bedeutung. Überraschenderweise wurde dieser Frage in der

Literatur wenig Beachtung geschenkt. Wie oben erwähnt wurde, deklarieren die meisten

Autoren als solches ein der Produkte 6, 7 oder 9 ohne jegliche Nachweise. Lediglich Giu-

mani et.al. [44, 47] haben die Situation teilweise entschärft, indem sie vermutet haben, dass

alle Kandidaten unter sauren Bedingungen die gleiche Reaktivität in der nachfolgenden Stufe

aufweisen. Demnach können, z.B. die stabilen zyklischen Allotrope 8 und 11 als Synthons

von 9 aufgefasst werden, wenn man deren Reaktion mit einem Substrat mit hoch polarisier-

ten Bindungen betrachtet. In diesem Fall ist aber nicht klar, ob die Depolymerisation erst

auftritt oder ob das Substrat direkt das Oligomer angreift. Bei der reaktionskinetischen Un-

tersuchung ermöglicht die schon erwähnte Tatsache, dass die primären Kondensate selbst

mittels neuer empfindlicher Analytik in Gegenwart von Säuren schwer erfassbar sind und

angenommen werden darf, dass sie kurzlebig sind und ihre Konzentration im Reaktionsab-

lauf klein ist, die Anwendung der Näherung des stationären Zustands bezüglich dieser Zwi-

schenprodukte. Das vereinfacht die resultierenden kinetischen Gleichungen, indem in der

Endformel die Konzentrationen der umstrittenen Komponenten wegbleiben, siehe z.B. [33].


Abbildung 6: Umlagerungsstufen der An-Fa-Kondensation

NH2

NH2

H+

N N

H H

N

H

NH2

N

HNH

2

H+

MDA - Isomere

o-ABAp-ABA

+++

7

13 14

1. Umlagerungsstufe

2. Umlagerungsstufe

Mit der Rücksicht auf die oben bezeichneten Fakten wird in den weiteren Schemen in dieser

Arbeit als primäres Kondensationsprodukt das Aminal 7 gezeigt, aber bloß weil dieses am

häufigsten in der Literatur als solches deklariert ist und .weil das ermöglicht die nachfolgen-

de Reaktionsstufe formal als „Umlagerung“ oder „Isomerisation“ zu betrachten, was ihrer

traditionellen Bezeichnung zustimmt.

2.1.1.2 Umlagerungsstufen

Ausgangspunkt für die weitere Analyse des Kondensationsprozesses ist die in zwei Stufen

laufende „Umlagerung“ oder „Isomerisation“ der primären Addukte, die für die Bildung der

zweikernigen Produkte folgenderweise dargestellt werden kann (Abbildung 6):

Dieses Schema vereinfacht stark die durchlaufenden Reaktionsstufen und erfasst nicht die

auftretenden mehrkernigen Zwischen- und Endprodukte, sowie auch andere Nebenprodukte.

Zu seiner „Entfaltung“ wurde erstmal bei Wagner [39] ein Mechanismus der säureinduzier-

10 2 Grundlagen

ten Arylamin-Formaldehyd-Kondensation als ein elektrophiler Angriff der Amino-

Karbenium-Kationen K1 und K2 (Abbildungen 7, 14) auf Arylamine vorgeschlagen. Die-

se Behandlungsweise wurde bei Ringel et. al. [3, 4] weiterentwickelt und erfolgreich in ein

einfaches kinetisches Modell der Reaktion eingesetzt [4].

Die zweite Stufe der säureinduzierten Anilin-Formaldehyd-Kondensation (d.h. 1. Umlage-

rungsstufe) wird heute eher traditionell als „Umlagerung“ bezeichnet, nach einem alten Syn-

theseverfahren [34, 35], wenn man die Vorkondensationsstufe unter neutralen oder sogar al-

kalischen Bedingungen durchführte und als erstes Zwischenprodukt eine Lösung von 7 in

Anilin erhält. Da Aminal 7, ABA 13, 14 und MDA 3, 4, 5 die Strukturisomere sind, konn-

ten in diesem Fall die nachfolgenden Umwandlungen als „Umlagerungen“ betrachtet werden.

In der Patentliteratur bezeichnet man heute oft die Vorkondensationsstufe und die 1. Umla-

gerungsstufe zusammen als Kondensationsstufe, gemäß einem neuen Verfahren, wobei die

Aminobenzylaniline die ersten fixierbaren Zwischenprodukte sind.

Im Vordergrund der nachfolgenden Betrachtungen steht die Erfassung der wichtigsten Reak-

tionen und Reaktionsprodukte, ohne detaillierte Analyse der Bedingungen, die die eine oder

die andere Reaktion begünstigen. Dabei wird angenommen:

1. Einsatzmolverhältnis An : FA > 2. D.h. Formaldehyd liegt nicht im Überschuss vor,

was bei der MDA-Herstellung immer der Fall ist.

2. Die Bildung der „ABA-Bindungen“ und der „MDA-Bindungen“ erfolgt irreversibel.

Auch diese Bedingung wird in den meisten industriellen Prozessen (T < 160ºC) erfüllt.

Der Vergleich des bisher vorliegenden empirischen Wissens über die Zusammenhänge zwi-

schen Reaktionsbedingungen und Reaktionsprodukten bei der sauren Umsetzung von Anilin

mit Fa (hauptsächlich Patentliteratur) mit der Information, die aus der theoretischen Analyse

der Teilreaktionen ermittelt werden kann, lässt die Richtigkeit und die Aussagekraft des vor-

geschlagenen Mechanismus abschätzen. Insbesondere wird auf einige Punkte, die das Ver-

hältnis von o- und p-Substitution betreffen hingewiesen.


Abbildung 7: Bildung des Karbokations K1

(I)

2.1.1.3 1. Umlagerungsstufe. Bildung und Reaktionswege des Karbokations 1 (K1)

Die Bildung des Karbokations K1 verläuft durch die Acidolyse der primären Kondensate:

Auf der Abbildung 7 sind drei Reaktionswege zum K1 gezeigt: aus Aminal 7, aus Hydro-

xymethylanilin 6 und aus Methylenanilin 9. Da unter den für die Produktion typischen

Bedingungen der Prozessdurchführung alle diese Umwandlungen schnell verlaufen, illust-

riert das die im Kapitel 2.1.1 formulierte Aussage, dass alle der Kondensate 6, 7, 9 in der

nachfolgenden Stufe die gleiche Reaktivität aufweisen.

Als Hauptreaktion des K1 tritt elektrophile aromatische Substitution eines Wasserstoffs des

Anilins auf, die zu den o-,p-Isomeren des Aminobenzylanilins (ABA) führt (Abbildung. 8,

Reaktion (II)). Die bestimmenden Faktore für die Positionsselektivität werden hier nicht dis-

kutiert, denn man findet diese in der allgemeinen Literatur zu SE-Reaktionen [49]. Zur Anga-

be des Amins als freie Base ist folgendes zu bemerken: da bisher im System An-Fa, selbst

N N

H H+

+ H N N+

HH

H

N +

NHCH2OH

n

NH2CH

2OH+

+ H

N

++ H

9

- An

7

K16

- H2O

+

9

12 2 Grundlagen

Abbildung 8: Reaktionen des Karbokations K1

NH

NH

NH2

N +

N

NH2

H

NH2

N

HN

H

N

NH2H NH

2

NH2

N H

o-ABA

+ An

K1

++ MDA

+ o,p-ABA

3K-MDA-ABA

3K-ABA

14

15 16

17

(II) (V)

(III) (IV)

p-ABA

13

(3K-ABA)

unter extrem sauren Bedingungen, niemals meta-Substitution beobachtet wurde, ist anzu-

nehmen, das der Kation-Angriff auf die freie Base erfolgt. Bei einer Reaktion mit Anilinium-

Ionen wären auch meta-Isomere zu erwarten [48].

Sobald sich zwei isomerische Aminobenzylaniline 13 und 14 gebildet haben, treten diese

mit ihren freien Kernpositionen als Konkurrenten zum An um das K1 auf. Greift dieses

den aminomethylensubstituierten Kern des ABA (Reaktion (IV)) an, so entstehen zwei Iso-

mere 16 mit einem zentralen dimethylensubstituierten Ring. Diese können nicht zu zwei-

kernigen MDA weiterreagieren – die Bildung der CH2-Ar–Bindung ist irreversibel. Es gibt

jedoch einen Einfluss auf das Isomerenverhältnis in 2K-Fraktion des Endprodukts als mittel-

bare Wirkung dieser Reaktion, weil eines der ABA-Isomere mehr bevorzugt abreagiert und

somit aus dem Reaktionsgemisch verschwindet.


C6H

5NHCH

2C

6H

4NH

2C

6H

4NHCH

2 n

18

oligo-ABA

Der K1-Angriff auf den einmalsubstituierten Kern des ABA führt zu den vier dreikernigen

Produkten 15, die nur ABA-Bindungen besitzen. Wird K1 den terminalen monosubstitu-

ierten Ring weiter substituieren, entstehen oligo-Aminobenzylaniline der allgemeinen For-

mel 18:

Die Bildung von oligo-ABA 18 wurde in der Literatur schon seit langer Zeit formuliert,

jedoch ohne jeglichen Nachweisen, dass es wirklich um solches ging (z.B., [2, 13, 15]. Erst

in einer russischen Arbeit aus dem Jahr 1982 [50] wurde niedrige Homologe 18 mit

n=1 und 2 (ebenso wie eine dreikernige Verbindung 3K-ABA-MDA 17) isoliert und cha-

rakterisiert.

Da die oligo-ABA 18 die gleichartigen mit zweikernigem ABA Weiterreaktionen einge-

hen und zu denselben Produkten führen [50], werden die Reaktionen der Art (III) in vielen

Literaturstellen nicht formuliert. Es ist jedoch anzumerken, dass die Positionsselektivität bei

dem K1-Angriff auf Anilin und auf den monosubstituierten Ring von ABA (Reaktionen

(II) und (III)) unterschiedlich sein kann. Ein voluminöser Aminobenzylrest verhindert die

o-Substitution in 13 und 14 und führt somit zur Anreicherung von p-Isomeren. Das Wirken

eines solchen sterischen Effektes wäre eine Erklärung dafür, dass bei einem kleinen

An-FA-Molverhältnis im Reaktionsansatz, was die Reaktion (III) in Konkurrenz mit der

Reaktion (II) begünstigt, das Endprodukt einen vergleichsweise hohen Gehalt an 4,4’-MDA

aufweist [15, 20]. Entstehende oligo-ABA bilden teilweise schwerlösliche Ablagerungen.

Es ist noch ein Aspekt hinsichtlich des Entstehens des oligo-ABA zu erwähnen, der bislang

in der Literatur noch niemals diskutiert wurde. Da die Bildung der CH2-N – Bindung re-

versibel läuft, ist die Freisetzung von Formaldehyd möglich, solange die primären Kondensa-

tionsprodukte (Aminal 7 usw.) im Reaktionsgemisch vorhanden sind. Die Umwandlung in

ABA und oligo-ABA stoppt diesen Prozess. Während die Reaktion (II) eines Anilin-

Moleküls bedarf, braucht die oligo-ABA–Bildung kein zusätzliches Anilin. Deswegen tritt

14 2 Grundlagen

die Reaktion (III) als ein Bindemittel für freien Formaldehyd bei Anilin-Defizit (z.B. loka-

lem) auf.

Zur Analyse der Reaktionen vom Typ (V) ist folgendes zu bemerken. Die hier als Nukle-

ophile auftretenden Methylendianiline entstehen erst in zweitem Umlagerungsschritt. Ander-

seits können nach dem Vollenden des 1. Umlagerungsschritts keine Karbokationen K1 ge-

bildet werden. Das bedeutet, dass bei einer exakt stufenweise Kondensationsführung (sowie

in [11, 15, 25]) die Umsetzungen (V) keine Rolle spielen. Aber in den heute für die Produk-

tion typischen HCl-Verfahren, wenn die Temperatur am Reaktionsstart nicht beherrscht

wird, ist eine scharfe Trennung der beiden Umlagerungsstufen nicht gewährleistet. In diesem

Fall sind die Reaktionen (V) bei der Prozessmodellierung zu berücksichtigen, als auch in den

Varianten mit einer Rückführung von 2,2’- und 2,4’-MDA oder einem Teil des Produkts in

den Kondensationsprozess [7, 15, 17, 25, 26].

Durch Reaktion (V) entstehen sechs ABA-MDA-Isomere, die weiter zum Polyamin führen.

Dieser Prozess ist vom Gesichtspunkt des MDA-Gehaltes für die Modellierung von Bedeu-

tung, weil er erstens den Zweikernanteil in Endprodukt reduziert, und zweitens das Isome-

renverhältnis im MDA beeinflusst, indem die MDA-Isomere mit unterschiedlicher Ge-

schwindigkeit diese Reaktion eingehen können.

Die Reaktionen (I) – (V) und nachfolgende Bildung der Karbokationen von Typ 2 (siehe

Kapitel 2.1.1.4, Abbildung 10, Reaktionen (VI-A,B)) können generell als CH2+-Übertragung

vom CH2O auf einen aromatischen Kern betrachtet werden. Als Transportmittel tritt dabei

das Anilinmolekül (im Bestand von K1) auf. Diese Aufgabe können aber nicht nur Anilin,

sondern auch ein beliebiges primäres oder sekundäres Amin und daraus entstehender Karbo-

kation von Typ 1 (K1’) erledigen. Als Illustration ist in Abbildung 9 das Entstehen des Kar-

bokations para-K2 durch die Reaktionen (I’), (II’) und (VI’-A) dargestellt, die völlig ana-

log den Reaktionen (I) (II) und (VI-A) sind:


Ar NH

RCH

2O

Ar N

R

CH2

NH2

N

NH2R

Ar

N

NH2

R

Ar

H ++

NH2

Ar NH

R

Ar N CH2

R

H +-

H +++

K1'

K1'

++

+

+

para-K2

+(I’)

(II’)

(VI’-A)

Abbildung 9: CH2+-Übertragung mit einem sekundären Arylamin ArNH(R)

Da die Karbokationen K1’ nur eine Modifizierung von K1 sind, ergibt die Vielzahl der

durch seine Bildung entstandenen Halbreaktionen keine neuen Gesichtspunkte und wird

deswegen hier nicht formuliert. Diese zahlreichen Wege zur Methylenium-Übertragung

müssen jedoch bei der Entwicklung der reaktionskinetischen Modelle berücksichtigt werden,

z.B., wie in [4], durch den Ersatz der Substanzkinetik gegen die Funktionalitätskinetik

(siehe Kapitel 2.1.3).

Außer den Reaktionen von Typ (I’) können Karbokationen K1’ auch durch Methylenium-

Umtausch zwischen K1 und einem freien Amin ArN(R)H entstehen. Solche Umwandlun-

gen bilden die zweite Gruppe der Reaktionen der Karbokationen K1 – elektrophyle Substi-

tution am Stickstoff. Aus den oben genannten Gründen werden diese hier auch nicht analy-

siert. Jedoch sind zwei spezielle Fälle zu erwähnen:

16 2 Grundlagen

N

N

N

N

N

N

H+

-H

+-

N

N

19

20 21 22

Tetrachin Dibenzodiazocin

+ CH2O

Trögerschen Base

+

1. Sollte o-ABA 14 in der Reaktion (I’) oder in dem Methylenium-Umtausch als freies

Amin auftreten, so ergibt sich ein Kation 19, das zu heterozyklischen Verbindungen

weiterreagieren kann:

Als sekundäre Amine wären 20 und 21 in Endprodukt unerwünscht. Überraschender-

weise wurden 21 und 22 bislang noch niemals im technischen Polyamingemisch nach-

gewiesen, was wahrscheinlich auf mangelnde Empfindlichkeit der angewandten Analytik

oder auf die Instabilität von 21 zurückzuführen ist. Das Entstehen des 20 unter speziel-

len Bedingungen wurde erstmalig bei Ringel et. al. [3] beschrieben. Aus den Angaben

dieser Arbeit bleibt jedoch unklar, ob die Autoren dieses Produkt in realem technischem

Kondensat nachgewiesen haben. Ausführliche Analyse der oben formulierten Teilreakti-

onen und ihres Gewichts im Gesamtprozess scheint uns von Bedeutung, erstens weil die

sekundäre Amine (sowie Tetrachin 20) die Qualität des Endprodukts mindern, und zwei-

tens als einen der Punkte, der das Verhältnis von o-, p-Substitution betrifft. Die Reaktion

14 → 19 → 21 stellt eine autokatalytische Bildung der ortho-substituierten Derivate

dar, da die zwei durch die Acidolyse von 21 entstandenen Karbokationen - ortho-K2

wieder mit Anilin zu 14 weiter reagieren können (vgl. Abbildung 10, Rückreaktion

von (VI-B)). Bekannt sind kernmethylierte Homologe von 21 und 22. Sie entstehen bei

der Kondensation von p-Toluidin mit Fa unter identischen Bedingungen [51], weil in


diesem Falle die konkurrierende Bildung von p-ABA durch die Reaktion (II) blockiert

ist.

2. Wird K1 den Stickstoff im Aminal-Molekül 7 angreifen, ist eine größere Neigung

zur nachfolgenden ortho-CH2+-Übertragung zu erwarten als bei der Reaktion von K1

mit Anilin (Reaktion (II)), und insbesondere mit oligo-ABA 18, wo para-Effekt von

voluminöser Substituent schon formuliert wurde. Das ist durch einen zyklischen

SE-Mechanismus erklärbar:

Ein derartigen Mechanismus wurde von Swan [51] für die Deutung eines ortho-Effekts bei

der Reaktion von N,N’-Dimethylderivat des 7 mit schwachen Säuren benutzt, aber niemals

für die An-Fa-Kondensation in den Publikationen formuliert. Da die Erhöhung der Azidität

die Zerfallsbeschleunigung des 7 verursacht, könnte dieser Effekt eine der wahrscheinlichen

Gründe der bekannten Wirkung geringer Säurenmengen in Richtung erhöhter o-Substitution

sein (zum Beispiel [2, 18, 19, 65]).

Reduktionsprozesse bilden eine dritte Gruppe von Reaktionen von K1, die zu N-methy-

lierten Produkten führt. Diese Reaktionswege werden im Folgenden weiter analisiert.

2.1.1.4 2. Umlagerungsstufe. Bildung und Reaktionswege der Kationen von Typ 2

Weitere Acidolyse der ABA 13, 14 und der mehrkernigen Aminobenzylaniline 18 ergibt

Karbokationen von Typ 2 (K2, K2’), in denen, im Unterscheid zu K1, die positivgeladene

Methylengruppe mit einem aromatischen Kern direkt gebunden ist. Sollte zwischen Amino-

benzylaniline die Zweikernfraktion dominieren (großer Anilin-Überschuss, hohe Tempera-

tur im 1. Umlagerungsschritt), so bilden sich überwiegend die einkernigen Karbokationen

ortho-K2 und para-K2 (Abbildung 10):

N

N

Ph

N

Ph

Hδ

δ

18 2 Grundlagen

N

NH2

H+

NH2

NH2

N

NH2

NH2

NH2

+

H+

p-ABA

++

para-K2

+

o-ABA ortho-K2

+ +

13

14

Abbildung 10: Bildung der Karbokationen ortho- und para-K2

(VI-A)

(VI-B)

(VII)

C6

H5

N H C H2* C

6H

4N H C H

2 n

C6H

4N H

2

H++

H++

C6

H5

N H2

* C6

H4

N H C H2 n

C6

H5

N H C H2

C6

H4

N H2

- 1C H

2C

6H

4N H C H

2 n

C6

H4N H

2+

C H2

C6

H4

N H2+

+

1 8

-

mehrkerniges K2

Bei der Acidolyse des o-ABA 14 spielt eventuell eine zyklische Struktur eine Rolle:

Bei niedrigem Protonierungsgrad kann die Existenz einer solchen Struktur die Reaktion

(VI-B) im Vergleich mit (VI-A) begünstigen – noch eine der wahrscheinlichen Gründe (die

erste wurde auf vorheriger Seite formuliert) der bekannten Wirkung geringer Säurenmengen

in Richtung erhöhter o-Substitution.

Haben sich in der 1. Umlagerungsstufe hauptsächlich oligo-ABA 18 gebildet, können diese

stufenweise unter der Bildung der ortho- und para-K2 abgebaut werden. Zum anderen, kann

es auch zu mehrkernigen Kationen-2 kommen, je nachdem an welchen „ABA-Bin-

dungen“ die Acidolyse einsetzt:

N

H2

N Ph

H+


NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

H+

-

NH2NH

2

H+

-

H+

-

H+

-NH2

+

NH2

+

4,4'-MDA

ortho-K2

+

+

para-K2

2,4'-MDA

2,2'-MDA

4

3

5

Prinzipiell ergibt die Acidolyse aller Produkte mit Ar-CH2-N – Bindungen (auch verzweig-

ten wie 16 und eventuell zyklischen wie 20 – 22) die Kationen von Typ 2.

Die Reaktionen der Kationen von Typ 2 können, wie auch solche der Kationen von Typ 1,

in drei Gruppen systematisiert werden:

1. Elektrophile Substitution am Stickstoff.

2. Elektrophile Substitution am aromatischen Kern.

3. Reduktion.

Die elektrophile Substitution am Stickstoff ist die Rückreaktion der Acidolyse von ABA-

Bindungen, z.B., (VI-A, VI-B, VII). Sie bringt keine neuen Gesichtspunkte zur Analyse der

Reaktionsnetzwerks oder der o/p-Steuerung, deswegen wird sie hier nicht formuliert. Jedoch

muss die elektrophile Substitution am Stickstoff durch K2, ebenso wie die ähnlichen Reak-

tionen des K1, bei den reaktionskinetischen Berechnungen berücksichtigt werden.

Bei der elektrophile Substitution am aromatischen Kern sind erstrangig die Reaktionen von

ortho- und para-K2 mit Anilin zu nennen. Diese führen nach folgendem Schema zu den drei

MDA-Isomeren:

20 2 Grundlagen

H+

- H+

-

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

+NH

2

NH2

NH2

+

3K-MDA

+

24

23

+

4

K2

Abbildung 11: Bildungswege von dem dreikernigen MDA (zwei von vier Bildungs-Möglichkeiten)

Also kann sich aus dem ortho-K2 kein 4,4’-MDA bilden, und aus dem para-K2 kein

2,2’-MDA, während das 2,4’-MDA aus beiden Kationen entstehen kann. Leider fehlt in der

Literatur jegliche Diskussion zu o/p-Selektivität dieser Reaktionen und ihre Abhängigkeit

von Reaktionsparametern (ebenfalls wie für die Reaktion (II) des Kationen K1 mit Anilin).

Sollte mit Anilin ein zwei- oder mehrkerniges Kation von Typ 2 reagieren, entstehen mehr-

kernige Methylendianiline. Die gleichen Produkte bilden sich auch bei dem Angriff von K2

an zweikernige MDA oder höheren Homologe. Diese zwei von vier Reaktionswegen zum

einem von insgesamt sieben dreikernigem MDA (3K-MDA) – Isomeren werden auf Abbil-

dung 11 skizziert:

Die Bildung von anderen 3K-MDA – Isomeren und höherkernigen Homologen läuft auf

den gleichen mechanistischen Wegen ab. Die Vielzahl der Isomeren (7 für 3K-MDA, 27 für

4K-, 99 für 5K-MDA, usw.) und die vielfältigen Bildungsmöglichkeiten für jedes einzelne

Isomer machen diesen Teil des Reaktionsnetzwerkes unüberschaubar. Andererseits sind die

Isomerenverhältnisse in höherkernigen MDA von geringer Bedeutung für die Qualität des

Endproduktes. Typischerweise bestimmt man nur die „3K-Fraktion“, die „4K-

Fraktion“ und die „5-10-Kern“- oder „Oligomeren“-Fraktion [25, 52]. Es ist jedoch auf

einen Steuerungsfaktor bezüglich der Isomerenverteilung in 2K-MDA (i.e. 4:3:5) an die-

ser Stelle hinzuweisen. Da bei den Verbindungen 3 und 5 aromatische Ringe mit freien


para-Positionen vorhanden sind, können diese bei den Reaktionen mit Kationen von Typ 2

im Vergleich mit 4 relativ häufiger reagieren und dadurch die Anreicherung des Endpro-

dukts mit dem 4,4’-Isomer 4 begünstigen. Dieser Effekt sollte sich um so stärker auswir-

ken, je weniger Anilin im System vorliegt. Die Situation ist also völlig analog zu der bei dem

Angriff von K1 auf ABA und 2K-MDA (Abbildung 8, Reaktionen (IV), (V)): die gerin-

ge Anilinmenge wirkt in Richtung eines erhöhten 4,4’-MDA-Gehaltes in der 2K-MDA-

Fraktion auf Kosten einer Erhöhung des Polyaminanteils. Überraschenderweise wurde diese

Abhängigkeit in der Literatur bislang speziell nicht formuliert, sondern nur als einen „Ne-

beneffekt“ in einem der Patenten [15] vermerkt. Andererseits kann vorausgesagt werden,

dass Faktoren, die zur Beschleunigung der ABA-Spaltung beitragen (z.B., höhere Tempera-

tur), diesen Effekt nivellieren sollten.

Hinsichtlich des Entstehens der Karbokationen von Typ 2 ist hier noch folgendes zu bemer-

ken. Die ArCH2-N – Bindung im Vergleich mit einer N–CH2–N – Bindung stabiler zur

Acidolyse ist. Anderseits ist bei den Kationen von Typ 2 im Vergleich mit denen von Typ 1

größere Stabilität (geringere Reaktivität) zu erwarten; die entsprechenden Resonanz-

Grenzformeln sind trivial und werden hier nicht diskutiert. Da führt man typischerweise bei-

de Umlagerungsstufen bei gleichem Protonierungsgrad durch1), erfordert die zweite Umlage-

rungsstufe eine höhere Reaktionstemperatur als die erste, d.h. stufenweise Prozessdurchfüh-

rung. Besonders vorteilhaft für die Produktqualität ist die exakte Stufentrennung, wenn die

Temperaturerhöhung nicht nur mit der Reaktionszeit, sondern auch mit der Zusammenset-

zung der reagierenden Mischung gekoppelt ist. Zum Beispiel wird gem. [11] erst dann von

50ºC auf 65ºC aufgeheizt, wenn das Reaktionsgemisch 85-100% des ABA enthält. Da-

nach, wenn 80% ABA in MDA überführt worden sind, erhöht man die Temperatur weiter

auf 100ºC. Gemäß [18] wird der größte Teil des Umsatzes bei 80ºC durchgeführt, und die

Temperatur erst auf 110 – 160ºC erhöht, wenn das p-ABA zu 4,4’-MDA – Verhältnis ei-

nen Wert von 1 unterschreitet. In beiden Patentschriften wurde ein Endprodukt mit gerin-

gem Anteil an 2,4’-MDA erzielt. Eine solche Verfahrensweise setzt eine zuverlässige „real-

time“ Analytik voraus; die Implementierung einer Online-Spektroskopie wäre deswegen

von Vorteil.

1) Als Ausnahme ist nur eine Verfahrensweise mit teilweiser Produktrückführung zu erwähnen. Z.B.

in [25] wird destillativ abgetrennte Fraktion von 2,2’- 2,4’-MDA mit Zuschlagsformaldehyd in 2. Umlagerungsstufe eingeschleust, so dass der Protonierungsgrad um ~10% sinkt.

22 2 Grundlagen

(VIII)

N

H2

CH

2

+ O

H

2.1.1.5 Zur Form der Karbokationen K1 und K2

Die Karbokationen K1 und K2 wurden oben immer als freie Ionen formuliert. Damit soll

aber nicht ausgesagt werden, dass diese als solche reagieren. In einer gut solvatisierenden

Lösung hoher Dielektrizitätskonstante, in Anwesenheit einer starken Säure sind folgende

Bindungszustände denkbar [53]:

wo als X- ein Säureanion oder Hydroxyl-Ion auftreten können.

Karbokationen von Typ 1 und 2 können im Prinzip in jeder Phase dieser Ionisati-

ons–Dissoziations–Sequenz an ein vorhandenes elektrophiles Substrat (Aminogruppe oder

o,p-Kernpositionen) angreifen. Man kann jedoch erwarten, dass das substituierende Elektro-

phil von den relativ stabilen Kationen 1 und 2 in der Reihe (VIII) weit rechts steht. Insbe-

sondere gilt das für Kationen von Typ 2, die im Vergleich mit Kationen 1 weniger reakti-

onsfähig sind. Leider wurden in der Literatur die Gleichgewichte (VIII) bislang nicht dis-

kutiert, obwohl wahrscheinlich ihre Analyse die Rolle der Säureanionen und der

Wasserkonzentration als Reaktionssteuerungsgrößen erklären könnte. Zum Beispiel erhöht

die zunehmende Wasserkonzentration nicht nur die Dielektrizitätskonstante des Lösungsmit-

tels (und verschiebt dadurch die Gleichgewichte (VIII) nach rechts), sondern verschiebt

auch ortho-K2 im Vergleich mit dem para-Isomer relativ weiter nach links in der Reihe

(VIII) wegen der Bildung des stabilen zyklischen inneren Ionenpaars mit einem Hydroxyl-

Anion:

(i) = inneres Ionen Paar (ii) = äußeres oder solvent-getrenntes Ionnenpaar (iii) = freies solvatisiertes Ion

K+ X

- K

+ X- X

- K+ +K

δ+–Xδ+

(i) (ii) (iii)


Das soll bei höherer Wasserkonzentration zum Ansteigen des Gehalts an 4,4’-Isomer in

2K-MDA-Fraktion2) führen ohne eine Erhöhung des brutto-2K-Anteiles – eine Abhängig-

keit, die in einigen Patenten beschrieben wurde [54].

Die Rolle des Säureanions in o/p-Selektivität wurde bislang nicht untersucht. Die Aussagen

von [23] stützen sich auf die Ergebnisse der Patente [10, 59, 60, 61], wo jedoch nur eine ka-

talytische3) Hochtemperatur-Kondensation beschrieben wurde. Da unter diesen Bedingungen

die Isomerenverteilung hauptsächlich nicht durch die Reaktionskinetik, sondern durch die

thermochemischen Parameter dirigiert ist, werden solche Daten hier nicht analysiert.

2) Die Herabsetzung der Reaktivität des ortho-K2 in der aromatischen elektrophilen Substitution soll

zur Steigerung der konkurrierenden Reaktion am mehr nukleophilen Stickstoff führen (Rückreakti-on von (VI-B)). Die sich bildenden o-ABA-artigen Produkte werden sowieso in späteren Reakti-onsstadien zu MDA abreagieren, aber nicht zu 2K-MDA, sondern zu oligo-MDA, weil freies Anilin nicht mehr in Reaktionsgemisch vorhanden ist. Folglich kann sich die Wirkung einer hohen Wasserkonzentration in Richtung der Zunahme des 4,4’-Isomers in der 2K-Fraktion nur in Abwe-senheit eines Anilin-Überschusses auswirken, was in den in [54 – 58] beschriebenen Experimenten immer der Fall ist.

3) In Review [2] unterscheidet man bezüglich der Säurekonzentration „katalytische“ und „stöchio-metrische“ Reaktionsfelder. Im ersten Fall geht es um eine geringe Säuremenge, mit Molverhältnis An:HCl = 100:1 und höher, oder um einen heterogenen festen Katalysator.

24 2 Grundlagen

Abbildung 12: Bildung von methylierten Nebenprodukten bei der An-Fa-Kondensation (aus [2,3])

(IX)

(X) CH2O

NH2

HCOOH

CH3

CH2O

NHCH3

HCOOH

H+

H+NH

CH2

+

NH2

CH2

+

N-Methylanilin

N-Methylierung:

o,p-Toluidin

Kern-Methylierung:

o,p-K2

+

25

K1

+

+ +

2.1.1.6 Bildung von methylierten Produkten

Prinzipiell andere Reaktionstypen als die oben diskutierten Reaktionen sind Redoxprozesse

der Karbokationen 1 und 2. Sie führen zu N- und kernmethylierten Produkten. Redukti-

onsmittel ist freier Formaldehyd:

Es gibt zwei Gründe, warum die Kern-Methylierung nur von geringem Interesse für eine re-

aktionskinetische Untersuchung ist, und deswegen im Folgenden nicht betrachtet wird:

1. Sollte der Kondensationsprozess stufenweise durchgeführt werden, bildet sich K2

erst im Reaktionszeitpunkt, wenn der Formaldehyd schon fast vollständig verbraucht

ist. Deswegen ist der Anteil an kernmethylierten Komponenten im Endprodukt typi-

scherweise sehr gering. Eine Ausnahme bilden nur die Prozessvarianten, bei denen zu-

sätzlicher Formaldehyd in die zweite Umlagerungsstufe eingeschleust wird (z.B. [25]).

2. Die kernmethylierten Nebenprodukte weisen fast keine negative Wirkung auf die Qua-

lität des Polyamins auf.


Abbildung 13: Weiterreaktion des Primärproduktes der N-Methylierung [3]

NHCH3

NHCH3NH

2NH

2

CH2

+

+

N-Methyl-MDA + Folgeprodukte

o,p-K225

Ein Reaktionsprodukt der N-Methylierung (IX) – das zuerst gebildete N-Methylanilin 25

kann, aufgrund seiner hohen Reaktionsfähigkeit, im 2. Umlagerungsschritt der Haupt-

reaktion schnell zu zwei- und höherkernigen N-Methyl-MDA weiterreagieren:

Die resultierende N-Methylfunktionalität bildet bei der nachfolgenden Umwandlung in Poly-

isocyanate (Phosgenierung) Karbomoylchloride – unerwünschte Verunreinigungen, die für

den hohen hydrolysierbaren Chlorgehalt im Polyisocyanat verantwortlich sind. Sie mindern

somit die Qualität der daraus synthetisierten Polyurethane.

In [3] sind Informationen zum Reaktionsmechanismus dargestellt, allerdings sehr fragmenta-

risch und ohne jeglichem Nachweis. In der Patentliteratur [5 – 11] findet man empirische

Hinweise zum Einfluss einiger Prozessparameter auf die Bildung der sekundären Amine, die

keinesfalls als Ausgangsdaten für eine Prozessmodellierung dienen können. Zusammenfas-

send lassen sich die Resultate folgenderweise formulieren: niedrige Säurekonzentration und

niedrige Temperatur während der Vorkondensations- und 1. Umlagerungsschritte, hohes

An/FA–Verhältnis, langsame Zudosierung des Formaldehyds mit intensiver Vermischung

(eine Turbulenz mit Re bis etwa 100 000 wurde in [11] erzeugt) mindern die Bildung der

N-methylierten Produkte. Die Wirkung der letzten drei Parameter ist qualitativ im Rahmen

der Betrachtung der N-Methylierung als Reduktion des K1 mit Formaldehyd ([3], Abbil-

dung 12) erklärbar. Eine Rationalisierung der Wirkung der ersten zwei Parameter setzt

Kenntnisse zur Kinetik der vielen beim Kondensationsprozess laufenden Reaktionen voraus.

Die erste Beobachtung, dass N-methylierte Amine durch die gleichzeitige Wirkung von

Formaldehyd als Reduktions- und Oxydationsmittel (im Unterschied von Leukart-Methylierung,

wo Ameisensäure als Oxydationsmittel auftritt) erhältlich sind, stammt von Plöchl [62]. Deswe-

gen wird dieser Reaktionstyp in der Literatur auch als PLÖCHL-Methylierung bezeichnet.

26 2 Grundlagen

Abbildung 14: Reaktionsnetzwerk der Anilin-Formaldehyd-Kondensation

2.1.1.7 Zusammenfassung des Reaktionsnetzwerks

Zusammenfassend kann das Reaktionsnetzwerk der Anilin-Formaldehyd-Kondensation ver-

einfacht wie in der Abbildung 14 dargestellt werden. Die Hauptreaktionen sind mit fetten

Pfeilen markiert.

N

NH2

N

NH2

+

(n+2)-Kern--ABA

NH2 NHCH

3

NHCH3

NH2 NH

2NH

2

NH2

NH2

NH2

+ +

NH2

NH2NH

2

NH2

+

NH2

+

N N NH CH2

NH

n

- HCOOH

+ CH2O

+ H+

N +

N

NPh

N

NPh

Tetrachin

Dichin

+ H+

- PhNH2

+ H+

- PhNH2

- H+

+ PhNH2

+CH2O

+HCOOH

+ n K1

+ n K2

+ K2

o-ABA p-ABA

2PhNH2 + CH2O

- H2O

K1

+ PhNH2

N-Methyl-MDA

2,2'-MDA 2,4'-MDA 4,4'-MDA

(n+2)-Kerniges-MDA

ortho-K2 para-K2

N,N'-MDA oligo-Aminal

+ PhNH2


Die prinzipiellen Kennzeichen hier sind:

1. Primärer Angriff des (aktivierten) Formaldehyds auf Aminogruppe.

2. Zweistufige Umlagerung der primären Kondensate durch Acidolyse mit Bildung der

Karbokationen von Typ 1 und 2 als aktive kurzlebige Intermediate und intermolekulare

aromatische Substitution.

Dieser Mechanismus ist größtenteils rein spekulativ formuliert. Auch in der Literatur fehlen

verlässliche experimentelle Nachweise zu seinen Gunsten. Das hat die Folge, dass einige Au-

toren alternative Reaktionsschemata vorgeschlagen haben. Es gibt zum Beispiel Einwände

bzgl. des intermolekularen Charakters der Kondensationsreaktion, die in [65, 66, 69] als eine

intramolekulare Umlagerung von N,N’-MDA beschrieben wurde, jedoch ohne gründliche

Nachweise. Ein Angriff des protonierten Formaldehyds auf die aromatischen Kerne wurde in

[63] als primäre Kondensationsstufe formuliert. Aminobenzylaniline fungieren in diesem

Fall nur als Speicher des K2 (Reaktion (VI)). In einer neuen Arbeit [41] wurde mittels

MNDO berechnet, dass sowohl die Struktur als auch die Bildungsaktivierungsenergie der

Übergangskomplexe im Falle des Stickstoff- und Kernangriffes des Formaldehyds sehr ähn-

lich sind. Selbst die Argumente von Wagner zugunsten eines primären Stickstoffangriffs

sind unbefriedigend. Vertrauenswürdigere Beweise sind in [64] angeführt: die Kondensation

von N,N’-Dimethylanilin und Formaldehyd im sauren Medium mit bestimmten Nukleophi-

len verläuft nur sehr langsam, da in diesem Fall die Bildung eines Kations von Typ 1 ausge-

schlossen ist. Dies ist der Grund, warum gerade dieser Mechanismus von uns als Ausgangs-

punkt für die Entwicklung des reaktionskinetischen Modells ausgewählt wurde. Noch ein

Argument: die generelle Übereinstimmung der auf diesen Basis vorhergesagten Wirkung der

Prozessparameter mit dem Experiment, was in Kapitel 2.1.1 mehrmals demonstriert wurde.

An dieser Stelle ist zu betonen, dass eine Auswertung, mit welchem Gewicht die einzelnen

oben formulierten Reaktionen auf den gesamten komplexen Reaktionsablauf beeinflussen

können, zurzeit stark eingeschränkt ist. Mit der detaillierten Analyse des Reaktionssystems

liegt jedoch eine Grundlage vor, um aufzuklären, welche Teilreaktionen auf welche Weise

einer kinetischen Untersuchung zu unterwerfen sind, um auf diesem Weg Katalysatoren

oder andere Steuerungsmittel einsetzen oder entwickeln zu können. Für ein gezieltes Vorge-

hen können dabei folgende Aufgaben formuliert werden:

28 2 Grundlagen

CH2O

ArNH2

ArNH3

ArNH2 OH

2CH

2OH

H CH2OH

HArNH-CH2

ArNH-CH2

H

K(11)

+

+

KS+

K(12)

K1'

+ Ar' NH2 ArNHCH2Ar' NH2 +

ABA

k(13)

K1'

+ ++

++

++

+

+

(XI)

(XII)

(XIII)

1. Untersuchungen zur Kinetik der 1. Umlagerungsstufe, insbesondere der Reaktion des

Kations K1 1.) mit Anilin; 2.) mit Aminal 7; 3.) mit o,p-ABA; 4.) mit 2,4-MDA 3.

2. Untersuchungen zur Kinetik der 2. Umlagerungsstufe, insbesondere der Reaktion des

Kations K2 1.) mit Anilin; 2.) mit 2,4-MDA 3; 3.) mit o,p-ABA.

Zu 1. und 2. Variationen: 1.) der Katalysatoren; 2.) der Temperaturen; 3.) des Mediums.

2.1.2 Reaktionskinetische Daten

Die Literaturquellen zur Kinetik der Anilin-Formaldehyd-Kondensation beschränken sich

auf Artikel [31, 32, 63, 67, 68, 69]. In allen Fällen (ausgeschlossen tschechische Publikation

[69]) wurde die Reaktion nur in hochverdünnten wässrigen Lösungen (also, bei Einsatzmol-

verhältnis An:HCl < 1) bei 25ºC untersucht. Bedeutsamere Daten findet man in dem chro-

nologisch ersten Artikeln von Ogata et al. [67]. Die Reaktionskinetik in pH-Bereich von

0.7-1.6 wurde in dieser Arbeit aufgrund der Senkung der Formaldehydkonzentration (Natri-

umsulfitmethode) verfolgt. Die Messungen ergaben eine Reaktion 2. Ordnung bzgl. Aus-

gangskonzentration des Anilins und erster Ordnung bezüglich der brutto-FA–Konzentration.

Die Abnahme der H3O+-Konzentration führte zu einer Geschwindigkeitssteigerung, wobei

der Ausfall von Trimer 8 am Neutralpunkt die Kondensation verzögerte. Zur Beschreibung

der experimentellen Resultate haben die Autoren aufgrund der früheren Arbeit von Wagner

[38] erstmalig ein Reaktionsschema mit der Bildung eines kurzlebigen Karbokations K1’

formuliert:

wobei Ar und Ar’ eine Phenyl- oder oligo-ABA–Gruppe ist.


[FA] – aktuelle Konzentration der brutto-Formaldehyd, mol/l. [An0], – Startkonzentrationen von Anilin. kobs – beobachtete Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung bez. FA

S

S

(13) (11) (12) 20

obs[An ]d([FA])

[FA] [FA]dt [H ] 2

k K K Kk

K C+− = =

+

[ABA]1 2

[An]C = + – weicht nicht stark von Wert 1 ab und variiert nur gering mit pH.

(1)

k = k0 (1+µβ) (2)

k - Geschwindigkeitskonstante dritter Ordnung in einer Lösung der Ionenstärke µ; l2/(mol2·s)

k0 - Geschwindigkeitskonstante dritter Ordnung in einer unendlich-verdünnten Lösung; l2/(mol2·s)

β - ein Koeffizient, konstant für ein gegebenes Reaktionsmedium. Experimentell wurden Werte von 0.8 l/mol für HCl und 1.0 l/mol für H2SO4 – Lösungen gefunden.

Die Analyse dieses Schemas ergab nach einigen groben Vereinfachungen folgende Berech-

nung der Reaktionsgeschwindigkeit am Beginn des Kondensationsprozesses:

Die Form der Gleichung (1) stimmte mit der experimentell beobachteten Kinetik des

FA-Verbrauchs der zweiten Ordnung bez. [An0] und erster Ordnung bez. [FA] überein.

Daten zu den Gleichgewichtkonstanten K(11), K

(12) und zur Geschwindigkeitskonstante k13

fehlen in der Literatur. Das verhindert die Einschätzung der Richtigkeit des Reaktionssche-

mas durch den direkten Vergleich der experimentellen und berechneten Werte der Ge-

schwindigkeitskonstante. Allerdings könnten mit Gleichung (1) die beobachteten Reakti-

onsordnungen bzgl. [FA], [An0] und [HCl] aufgrund dieses Schemas interpretiert werden.

In einer weiteren Arbeit dieser Autoren [68] wurde auch die Kinetik dieser Reaktion in An-

wesenheit NaCl, KCl, MgCl2, KBr, K2SO4 und Na2SO4 untersucht. Die integrierte Wir-

kung des primären und sekundären Salzeffektes wurde durch Gleichung (2) formuliert:

Leider basieren alle kinetischen Berechnungen ausschließlich auf dem Formaldehyd-

verbrauch und nicht auf der Bildung der Produkte.

30 2 Grundlagen

NH2

NHCH2OH

R R

+ H ,

6 (für R = H)

H2O+ + CH2O

k(-14)

k(14)

(XIV)

(14)(14)

( 14)

[ ]

[An] [FA]

kK

k −= =

6

Ähnliche Messungen von indischen Forschern [63] (d.h.. Reaktionskinetik der An-FA-

Kondensation in verdünntem salzsaurem Medium aufgrund des Formaldehydverbrauchs) in

einem Temperaturintervall 40÷70ºC ergaben eine Aktivierungsenergie von 8.9 kJ/mol, die

jedoch ohne eine weitere ausführliche Analyse keinem bestimmten Kondensationsschritt zu-

geordnet werden kann. Ein Versuch, die Geschwindigkeitskonstanten der individuellen Re-

aktionsstufen zu bestimmen, den Autoren dieser Arbeit misslang, „wegen der Komplexität

der Reaktion“, aber wahrscheinlicher wegen fehlerhafter Analytik. Die verwendete 4-stufige

analytische Methode schließt 1) Aufarbeitung der Einwage; 2) TLC-Trennung; 3) chemi-

sche Modifikation der Analyten; 4) UV-Spektroskopische Bestimmung der Konzentration

ein, ermöglichte es jedoch nicht, alle Hauptkomponente der Reaktionsmischung korrekt zu

erfassen.

Viel höhere und wahrscheinlich mehr sinnvolle Werte der Aktivierungsenergie von

ca. 40 kJ/mol für die Vorkondensationsstufe der An-FA-Umsetzung, von 73 kJ/mol für

Umwandlung Aminal 7 → p-ABA und von 68 kJ/mol für p-ABA → 4,4’-MDA werden

in einer tschechischen Arbeit [69] gefunden. Auch die Geschwindigkeitskonstante erster

Ordnung der Reaktionen 7 → 13, 7 → 14, 7 → 9, 13 → 4, 13 → 3, 14 → 3, 14 → 5,

9 → 2(???) bei 50ºC sind angegeben. Leider erschwert die unbefriedigende Beschreibung

der Experimente und der Analyse- und der Berechnungsmethode ebenso wie Konsistenz-

probleme in dieser Arbeit, die nur in Tschechisch veröffentlicht wurde, die Auswertung und

Verwendung dieser Angaben.

In Publikationen [31, 32] wurde die Vorkondensationsstufe – die Bildung von N-Hydroxy-

methylanilinen – untersucht:


Bezüglich dieser zwei Publikationsdaten ist zunächst folgendes ist zu betonen:

1. Die Experimente wurden in hochverdünnten wässrigen gepufferten Lösungen durchge-

führt. Typisch betrug die Anilinkonzentration 10-4 mol/l und die Formaldehydkonzentra-

tion 10-2 – 1 mol/l, die Ionenstärke 1 mol/l.

2. Für die Reaktionsverfolgung wurde UV-Stopp-Flow-Spektroskopie verwendet. Die Bil-

dung des Adduktes mit Formaldehyd führt im Fall von Anilin zu einer sehr geringen lang-

welligen Verschiebung der beiden Absorptionsmaxima (von 280 nm auf 283 nm und von

231 nm auf 236 nm) praktisch ohne Intensitätsänderung. Die darauf stützenden Konzentra-

tionsmessungen können sehr ungenau sein.

3. Weder Hydroxymethylanilin 6 noch Methylenanilin 9 wurden bislang als Substanzen

oder mindestens zuverlässig spektroskopisch identifiziert. Die Zuordnung der neuen Absorp-

tionsbänder in den UV-Spektra zu diesen Strukturen kann fehlerhaft sein.

Abrams und Kallen [31] haben die Gleichgewichtskonstante K14 für unterschiedliche Anili-

ne (R = H, 4-CH3, 4-OCH3, 4-Cl, 4-NO2, 4-CN in Gleichung (XIV)) gemessen. Die Werte

lagen bei ca. 20 l/mol und waren wenig abhängig von der Art des Ringsubstituenten. Kine-

tische Messungen und beobachtete Geschwindigkeitskonstanten von je 1. Ordnung bzgl.

RNH2 und CH2(OH)2 sind für R = NO2, CN angegeben. Durch die Messung der Abhän-

gigkeit der beobachteten Geschwindigkeitskonstante (kobs) von Hydroxymethylamine-

Bildung von der Pufferkonzentration, von [FAbrutto] und von dem pH-Wert wurden kataly-

tische Geschwindigkeitskonstante für die Hydronium-, Hydroxide-, Solventkatalyse und für

die sauere und basische Spezies des Puffers (entsprechend kH, kOH, kS, kH, kA, kB) abgelei-

tet. Eine Säure-Base-Katalyse ist aufgrund des schrittweisen Preassoziation-Mechanismuses

interpretiert. Atherton, Brown und Crampton [32] haben die Geschwindigkeitskonstanten

k14 und k-14 zweiter Ordnung auch für Anilin selbst (R = H) in engem pH-Bereich von 6 – 8

gemessen. Leider ignorieren die Autoren bei der weiteren Analyse die [H+]-Abhängigkeit

von k14 und k-14 (was in [31] der kH entspricht). Unter der Annahme, dass eine Dehydratation

von 6 eine Limitierungsstufe in der MANNICH-Reaktion ist, ist auch die Geschwindigkeits-

konstante k15 (Reaktion (XV)) zweiter Ordnung der säurekatalysierten Bildung

32 2 Grundlagen

NHCH2OH N

+ H ,

9

H2O+

k(15)

6

(XV)

r15 = k(15) [6] [H+]

des Methylenanilins 9 in pH – Bereich 7-8 berechnet. Es wurden die Werte von

1.2·107 l·mol-1s-1 für Anilin und 5·107 l·mol-1s-1 für 4-Methyl-anilin angegeben.

Da jedoch die Autoren keinen experimentellen Nachweis des Entstehens dieser Produkte dar-

legen, können diese Anagabe als rein spekulative betrachtet werden.


A C H2O Z w 0

C H2O

Z w 0P C 2

Z w0 C 30

C 30 Z w1

Z w 1 P C 31

Z w 1D

C 2 P M A

C H2O

C H2O

C 31P M C 30

k22a

K 16

k2

k2

k1

k1

k22b

K 19

+

+

+

+

+

+

+ +

++

(XVI)

(XVII)

(XVIII)

(XIX)

(XX)

(XXI)

(XXIIa)

(XXIIb)

A –– Aminogruppe –NH2

C2 –– ABA-Gruppe –NH-CH2–

C30 –– N-Methylamino-Gruppe –NH-CH3

C31 –– N-Methyl-ABA-Gruppe –N(CH3)-CH2-

D –– Dimethylamino-Gruppe N(CH3)2

Zw0 –– Aminomethylkation –NH-CH2+-

Zw1 –– N-Methylaminomethylkation –N(CH3)-CH2+-

P –– Kernposition (bevorzugt para)

M –– Methylen(MDA)-Gruppe -CH2–

Abbildung 15:::: Kurzform des Reaktionsmechanismus der Kondensation (nach [4]).

2.1.3 Einfaches reaktionskinetisches Modell

Ringel et al. [4] haben ein reaktionskinetisches Modell der Anilin–Formaldehyd–Kon-

densation vorgeschlagen. Der in Abbildung 14 dargestellte Mechanismus war Grundlage

für das Modell. Zwecks Vereinfachung und Reduzierung der Zahl der kinetischen Gleichun-

gen wurden zunächst die Umwandlungen der Spezies durch die Umwandlungen reaktiver

Gruppen ersetzt. Da ferner keine numerischen Daten zur Positions- und Substratselektivität

vorhanden waren, wurden gleiche funktionelle Gruppen unabhängig von ihrer Zugehörigkeit

zu unterschiedlichen Molekülen oder Molekülpositionen zusammengefasst, und in den zu-

gehörigen Geschwindigkeitsgleichungen wurde in erster Nährung mit „mittleren“ Geschwin-

digkeitskonstanten gerechnet.

Unter diesen Annahmen konnte man die Bildung der Karbokation K2 als Zwischenspezies

von ABA zu MDA überhaupt nicht formulieren. Damit erhielt Reaktionsmechanismus (Ab-

bildung 14) die in der Abbildung 15 dargestellte Kurzform, in der als weitere Vereinfa-

chungen die Nebenreaktionen zu Chinazolinen und der Einfluss der Säure nicht berücksich-

tigt werden.

34 2 Grundlagen

k’ = k(17) K

(16) = k(20) K

(19)

k’’ = k(18) K(16) = k(20) K

(19)

k’’’ = k(22a) = k(22b)

(17) (17) (16)FA A P=r k K c c c

(18) (18) (16) 2FA A=r k K c c

30

(20) (20) (19)FA C P=r k K c c c

30

(21) (21) (19) 2FA C=r k K c c

2

(22a) (22a )P C=r k c c

31

(22b) (22b)P C=r k c c

Die reaktionskinetischen Gleichungen wurden dabei in einer Form aufgestellt, die keine von

der Säurekonzentration abhängigen Terme explizit beinhaltet:

Zum Schluss wurden die Konstanten der Reaktionen (XVI) und (XIX), (XVII) und (XX),

(XVIII) und (XXI) sowie (XXIIa) und (XXIIb) paarweise gleichgesetzt, da solche vom

gleichen Typen sind. Mit allen diesen Vereinfachungen verringerte sich die Zahl der Kon-

stanten in den Differenzialgleichungen auf 3:

Geschwindigkeitskonstante k’’’ wurde aufgrund der experimentellen Daten (leider nicht ver-

öffentlicht) zur Umwandlung der Aminobenzylaniline in MDA abgeschätzt. Die verblei-

bende Konstanten k’ und k’’ wurden durch Anpassung aufgrund nur zweier Erfahrungs-

werte ermittelt:

1. Die Halbwertzeit der Reaktion bzgl. des Formaldehydsverbrauchs betrug 6s unter den

betrachteten Reaktionsbedingungen (Reaktionstemperatur 70ºC, 37.0 Gew.-% Formal-

dehyd und 32 Gew.-% Salzsäure im Molverhältnis An:FA:HCl = 2:1.18:1. Das er-

gibt die Säurekonzentration von 2.5 M). Die experimentelle Methode, wie solch eine

kurze Halbwertzeit gemessen wurde und die Charakteristik des Meschprozesses, die in

diesem Fall wahrscheinlich die entscheidende Rolle spielt, wurden in dieser Arbeit lei-

der nicht verratten.

2. Das minimal erreichbares [N-CH3] : [CH2] - Verhältnis betrug ca. 10-2.


k’ = 6.91 ·10-3 kg2 mol-2s-1

k’’ = 1.436 · 10-4 kg2mol-2s-1

k’’’ = 3 · 10-4 kg mol-1s-1

Damit ergaben sich für die Geschwindigkeitskonstanten folgende Werte:

(als Konzentrationsmaß wurde in dieser Arbeit die Molalität im Bezug auf Kilogramm der

Reaktionsmasse verwendet. Demensprechend werden die Geschwindigkeitskonstanten auch

auf Kilogramm der Reaktionsmasse bezogen).

Das kinetische Gleichungssystem enthält also zahlreiche Vereinfachungen und Annahmen.

Jedoch liefert es zumindest tendenzielle Aussagen zum N-Methylgehalt, zum Umsatz und

bei völligem Umsatz – zu einem Mittelwert der Kettenlänge der Oligomeren, zum Beispiel in

Abhängigkeit von der Charakteristik des Reaktorsystems [70]. Insbesondere wurde die

Verwendbarkeit dieses Modells für die Berechnungen im Zusammenhang mit der Hydrody-

namik des Mischprozesses betont.

Die Arbeit [4] wurde hier detailliert analysiert, denn einerseits ist sie bislang die einzige

Veröffentlichung über die Modellierung der Anilin-Formaldehyd-Kondensation, anderseits

soll die darin entwickelte Methode – die Vereinfachung des Reaktionsschemas, indem an-

stelle der Speziesumwandlungen die Umwandlungen reaktiver Gruppen betrachtet wurde,

konstruktiv (wenn nicht einzeln möglich) für die weitere Entwicklung der Modellierung die-

ser Reaktion sein.

Das Fehlen von generellen Kenntnissen über den Reaktionsmechanismus sowie auch über

die Kinetik der Teilreaktionen beschränkt stark die Aussagekraft dieses Modells, vor allem

bezüglich der Oligomere- und Isomerenverteilung der Produkte, sowie auch des Einflusses

der Säure-, Wasser- und Salzkonzentrationen sowie der Temperatur. Eine Erweiterung des

Modells sollte auf Grund des Reaktionsschemas in Abbildung 14 möglich sein. Das setzt

eine Erklärung des Beitrages und eine kinetische Untersuchung der in der Kapitel 2.1.1 ge-

schilderten Teilreaktionen voraus. Auch thermochemische Daten zu den Reaktionsstufen

sind für die Prozessmodellierung erforderlich, insbesondere weil die Vorkondensation stark

exotherm ist.

36 2 Grundlagen

Abbildung 16: Standardbildungsenthalpie der einigen Kondensationsprodukte [72, 73].In Zähler – experimentelle Werte, in Nenner – berechnete nach Benson [74]

N NH H

N N

N

Ph

Ph

Ph

NH2

N

NH2

NH2

Aminal

Triazin

ABA-Isomere

MDA-Isomere

NH2

n

N

n

N

n

oligo-MDA

oligo-ABA

oligo-Aminal

117

112

108

−

82

86

151

−

76

79

56

−

149

151

b)

b)

b)

b)

a)

a)

ho, kJ/mol h

o, kJ/mol

2.1.4 Thermochemische Daten

Thermochemische Charakteristiken der End- und Zwischenprodukte der Anilin-Formal-

dehyd-Kondensation sind bislang wenig untersucht. Kishore und Santhanalakshimi [71, 72,

73] haben einen thermochemischen Ansatz für die Identifikation der Kondensationsprodukte

angewandt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten bringen keine neue Information im Vergleich mit

den herkömmlichen analytischen Methoden. Vom Interesse sind die vermessenen und be-

rechneten Werte der Standardbildungsenthalpie, da sie für die thermochemische Analyse des

Reaktionsschemas einsetzbar sind und werden deswegen hier angegeben:

a) Mittlerer Wert für die Isomere-Mischung. Die in [71–73] angewandten expe-rimentellen- und Rechensmethoden ermöglichten es nicht, die Bildungsenhal-pie der individuellen Isomere zu bestimmen.

b) Pro Mol des Monomers


Abbildung 17: Wärmetönungen bei Kondensationsfortschritt

NH2

(CH2O) OH

2

N NH H

N NH H

NH

NH2

NH

NH2 NH

2NH2

C7

ABA

+

Aminal7

+ +

+

+

MDA

2Vorkondensa-tionsschritt

45 kJ/mol

41 kJ/mol

22 kJ/mol

1. Umlage-rungsschritt

2. Umlage-rungsschritt

n-Kern-Aminal An+

(n-1)-Kern-Aminal Aminal+ + 24 kJ/mol

n/3 Triazin An 25 kJ/mol+ +

Mit Tabellenwerten von 30.5 kJ/mol, -150 kJ/mol und -286 kJ/mol für die Standartbil-

dungsenthalpie von Anilin, Formaldehyd-Lösung in Wasser [71] und Wasser ergeben sich

folgende Werte für die Wärmetönungen der Reaktionsstufen:

Die ermittelten Werte der Reaktionsenthalpien stimmen mit der praktischer Erfahrung über-

ein: intensive Warmentwicklung an Reaktionsanfang (hier durch Kombination hoher Reak-

tionsenthalpie und hoher Geschwindigkeit der Formaldehydanlagerung), mäßige Warment-

wicklung beim ersten Umlagerungsschritt (erkannt durch die geringe Temperaturerhöhung

bei der Umsetzung von Aminal-Lösung in Anilin mit Anilinhydrochlorid) und beim langsa-

men, ohne merkliche Temperaturerhöhung ablaufenden dritten Schritt.

Aus den dargestellten thermochemischen Daten folgt, dass im System:

38 2 Grundlagen

n-Kern-ABA An+ (n-1)-Kern-ABA ABA+ + 1 kJ/mol

n-Kern-MDA An+ (n-1)-Kern-MDA MDA+ 1 kJ/mol-

soll das Gleichgewicht auf der Seite des Aminals und des Triazins liegen. Auch das stimmt

mit dem Experiment überein. Als primäre Kondensate wurden bisher ausschließlich Triazin

und Aminal identifiziert. Die Bildung von oligo-Aminal wurde bei Wagner [39] und eini-

gen anderen Autoren [22, 23] formuliert, aber niemals nachgewiesen (siehe auch Kapitel

2.1.1.1).

Von großer Bedeutung ist die Einschätzung der Gleichgewichtslage der Spaltungsreaktionen

anderer Oligomere: oligo-ABA und oligo-MDA. Aufgrund der in Abbildung 16 darge-

stellten Daten ergibt sich:

Die beiden Prozesse sind praktisch isoenthalpisch. Das erklärt wahrscheinlich die bekannte

Wirkung einer hohen Temperatur und geringen Säuremenge (die Bedingungen von „thermo-

dynamischer Kontrolle“) in Richtung einer erhöhten Oligomereanteils, weil in diesem Fall

die Substratselektivität der elektrophilen Angriffe der Karbokationen K1 und K2 auf die

aromatische Kerne (Abbildungen 8, 14) gering ist. Niedrige Temperatur und stöchiometri-

sche Säuremenge (die Bedingungen von „kinetischer Kontrolle“) begünstigen die Bildung

von sterisch weniger behinderten 2K-Kondensaten. Für die Berechnungen sind hier zusätz-

liche komplizierte Faktoren zu berücksichtigen, die teilweise in Kapitel 2.1.1 formuliert

wurden.

Fazit: Eine thermochemische Analyse kann in die reaktionskinetische Modellierung imple-

mentiert werden. Für die in der Praxis bedeutsamen Ergebnisse sind weitere Untersuchungen

erforderlich, wie die Messungen der Bildungsenthalpie von individuellen Isomeren, der

Salzbildungsenthalpie, der Auflösungsenthalpie u.s.w.

2.2. Reaktionsmonitoring der Anilin-Formaldehyd-Kondensation 39

2.2 Reaktionsmonitoring der Anilin-Formaldehyd-Kondensation

2.2.1 Allgemeines

Bei der reaktionskinetischen Untersuchung sind zunächst quantitative Angaben über den

Konzentrationszeitverlauf der individuellen Komponenten von Interesse. Wegen der Kom-

plexität des Reaktionssystems sind daneben auch qualitative Informationen, z.B. hinsichtlich

des Vorhandenseins und der Struktur von Intermediaten und von Nebenprodukten erforder-

lich werden.

In den ersten Arbeiten zur Kinetik der Anilin-Formaldehyd-Kondensation wurde als Prozess-

analytik die volumetrische Bestimmung der Formaldehydkonzentration eingesetzt [63, 67,

68]. Obwohl dieses Titrationsverfahren unkompliziert ist und eine hohe Genauigkeit hat, ist

die gewonnene Information in diesem Falle nicht ausreichend. Sie deckt nur die brutto-

Kinetik der ersten Kondensationsstufen ab. Die Kopplung mit den Angaben anderer analyti-

schen Methoden kann die Kenntnisse über diesen Bereich stark erweitern [4, 69].

Wesentlich mehr detaillierte Information über die Zusammensetzung der betrachteten Mi-

schungen liefern chromatographische Methoden. Sie werden schon seit langer Zeit sowohl

im Forschungsbereich als auch für die routinemäßige Prozesskontrolle in der Polyamin-

produktion eingesetzt. Die hohe Spezifität und die Vielfalt an Ausführungsarten geben gute

Chancen, gezielte Daten zu gewinnen. GC, GPC, HPLC, halbpräparative TLC und Papier-

Chromatographie wurden für das Monitoring der Anilin-Formaldehyd-Kondensation erprobt

[3, 50, 52, 75]. Trotz der hohen Selektivität und Flexibilität dieser chromatographischen

Trennverfahren ergeben einzelne Messungen kein ausreichend umfassendes Bild des Reak-

tionssystems. Nur die Kombination von unterschiedlichen chromatographischen Methoden

(z.B. GC und GPC usw.) ermöglicht den Nachweis und das Quantifizieren von Hauptkom-

ponenten und der meisten Nebenprodukte. Heute besteht außerdem die Möglichkeit, durch

GC-MS– oder HPLC-MS–Kopplung auch Informationen zur Struktur der Analyten zu ge-

winnen. Der Einsatz dieser Verfahren für die Analyse des Polyamingemisches wurde bislang

in der Literatur nicht beschrieben.

Bei der reaktionskinetischen Untersuchung ist auch die Identifikation kurzlebiger Über-

gangsstufen von Interesse. Die oben erwähnten Verfahren erlauben dieses in der Regel nicht.

Zum zweiten kann eine Probenentnahme, anschließende Aufarbeitung und Wechselwirkung

40 2 Grundlagen

von Analyten mit Sorbent und Solvens zu einer Veränderung der Mischung führen, so dass

die gewonnene Information der Realität nicht entspricht.

Vor diesem Hintergrund sind noninvasive Methoden von Vorteil. Eine solche Methode, die

UV-Spektroskopie, wurde für die kinetische Untersuchung der An-FA-Kondensation in

hochverdünnter wässriger Lösung zu Methylolanilin 6 angewandt [31, 32]. Leider ist dieses

analytische Verfahren in der Regel nicht in der Lage, die komplexen Mehrkomponenten-

systeme hinreichend selektiv zu erfassen. Auch kommen oft Beschränkungen hinsichtlich

des Konzentrationsbereiches sowie Schwierigkeiten bei der Kalibrierung und Identifizie-

rung der Analyten hinzu.

2.2.2 NMR-Spektroskopie. Grundlagen

Die NMR-Spektroskopie ist heute zu einer wichtigen analytischen Methode geworden. Hin-

sichtlich ihrer quantitativen und qualitativen Aussagekraft ist sie vielen anderen instrumen-

tellen Verfahren überlegen. Zur Untersuchung komplexer, reagierender Mischungen ist sie

oft die Methode der Wahl [76].

Im Vergleich mit UV- und IR- Spektren zeichnen sich die NMR-Spektren durch ihre höhere

Auflösung aus. Annähernd kann diese Auflösung durch das Verhältnis der spektralen Dis-

persion zur mittleren Signalbreite ausgewertet werden. Dieser Parameter beträgt für 1H-NMR-Spektren etwa 2·103 (400 MHz Gerät) und ist damit um einen Faktor 102 höher

als der für UV- und IR- Spektren. Peaks von strukturell ähnlichen Komponenten können hier

in der Regel gut voneinander unterschieden und quantitativ erfasst werden. Gleichzeitig lässt

sich in vielen Fällen eine eindeutige Information zur Struktur der Analyten zu gewinnen.

Ein weiterer Vorteil der NMR-Spektrometrie ist, dass diese Methode bei der Quantifizie-

rung bei korrekter Anwendung ohne eine Kalibrierung auskommt. Die Bandenflächen sind

gleichmäßig proportional zu den Konzentrationen der entsprechenden Kerne. Für flüssige

homogene Gemische entfällt auch die Notwendigkeit einer speziellen Probenvorbereitung.

Die Analyten können direkt im reagierenden Reaktionsmischung beobachtet werden. Dieses

ist besonders dann von Bedeutung, wenn die beobachteten Komponenten nicht stabil sind

und deswegen nicht isoliert und für die Kalibrierung herangezogen werden können, wie es

z.B. in formaldehydhaltigen Mischungen der Fall ist [76].


(3)

0= E B∆ hγ

0res 2

B=

π

γν

eff 0 0B B B= −σ

(4) res 0 (1 )2

= −π

Bγ

ν σ

Im Folgenden wird kurz auf die physikalischen Grundlagen und einige Ausführungen der

NMR-Spektroskopie eingegangen, die unmittelbar für die reaktionskinetische Untersuchung

der Anilin-Formaldehyd-Kondensation relevant sind. Eine gute allgemeine Einführung in die

NMR-Spektroskopie findet man in [77, 78].

Atomkerne mit ungerader Massen- oder Ladungszahl besitzen einen Drehimpuls (Kernspin).

Befindet sich ein Kern mit Kernspinquantenzahl I = 1/2 (1H, 13C, 15N,…) in einem stati-

schen Magnetfeld, ergeben sich aufgrund der zwei Orientierungsmöglichkeiten (entspre-

chend der magnetischen Quantenzahl m = ±1/2) zwei Energieniveaus. Wirkt auf den Kern

zusätzlich ein elektromagnetisches Wechselfeld ein, dessen magnetischer Vektor senkrecht

auf dem statischen Magnetfeld steht, kann eine Umorientierung der Kernmomentachsen er-

zwungen werden, wobei Energie aus dem Hochfrequenzfeld aufgenommen wird (Kernreso-

nanz). Diese Energie (∆E) und damit die Resonanzfrequenz hängen von den magnetischen

Eigenschaften des Kerns ab und sind der magnetischen Induktion B0 proportional:

Das magnetogyrische Verhältnis γ ist eine für die einzelnen Kernarten charakteristische

Konstante; für die Protonen γ = 26.752·10-7 rad/Ts; für 13C-Kerne γ = 6.728·10-7

rad/Ts.

Damit ergeben sich Resonanzfrequenzen νres bei einem Magnetfeld von 9.4 T für die in der

Praxis wichtigsten 1H– und 13C–Kerne entsprechend ca. 400 MHz und 100.6 MHz.

Chemische Verschiebung (δ). Die Gleichungen (3) beziehen sich auf die „nackten“ Atom-

kerne. In den Molekülen sind die Kerne jedoch von einer Elektronenhülle abgeschirmt, wel-

che äußeres Magnetfeld in der Umgebung des Kerns schwächt („diamagnetische Abschir-

mung“):

Die dimensionslose Abschirmungskonstane σ geht in die Resonanzbedingungen ein:

42 2 Grundlagen

6res ref

0ppm10 ,

ν νδ ⋅

−=

ν(5)

(6) 6A B A B0

AB AB

60A B

AB

| | | |10

| | 10

2

QJ J

B

J

−

−

− −= = ⋅ ⋅

−= ⋅ ⋅

π

ν ν δ δν

γδ δ (7)

Das Resonanzsignal erscheint also erst bei einer gegenüber (3) größeren äußeren Feldstärke

oder, bei vorgegebenem Magnetfeld, bei niedrigerer Frequenz. Die dimensionslose Abschir-

mungs-konstante σ ist eine Maß der Abschirmung.

In der Praxis bezieht man die Lage eines Signals nicht auf die „nackten“ Kerne,

sondern auf das Signal einer Referenzverbindung (νref). Im 1H- und 13C-NMR wird

als solche Tetramethylsylan (TMS, 0.0 ppm) für organische Solvente ausgewählt,

und 3-(Trimethylsilyl)-propionat-d4 (TSP-d4) für wässrige Lösungen, die auch zu 0.0 ppm

referenziert werden. Zur Bestimmung der Signallage definiert man als chemische Verschie-

bung δ des Kerns den Zahlenwert:

wo ν0 die Messfrequenz des Gerätes ist.

Im Gegensatz zur Resonanzfrequenz νres hängt chemische Verschiebung nicht von B0,

sondern nur von chemischer Umgebung des Kerns ab und ist somit eine wichtige Informati-

onsquelle über die Struktur der Analyten. Für die Protonen liegen δ etwa zwischen -1 und

12 ppm, für 13C – zwischen -150 und 200 ppm.

Spinkopplung. Eine Wechselwirkung der magnetischen Momente zweier oder mehr Kerne

durch die chemische Bindungen (skalare Kopplung) führt zur Aufspaltung von einzelnen

Signalen in die Multipletts. Ein Maß von der Energie dieser Wechselwirkung ist die Spin-

Kopplungskonstante J (Hz). Diese ist von B0 (gleich wie δ) und von vielen anderen äuße-

ren Faktoren – Lösungsmittel, Temperatur u.s.w. (im Gegensatz zu δ) unabhängig. Die

Struktur und die Multiplizität der Signale der koppelnden Kernsätze AnBm hängen von dem

Quotient Q ab:

Q ist also proportional der Feldstärke B0. Üblicherweise unterscheidet man zwischen

Spektren erster Ordnung (Q > 10) und höherer Ordnung (Q < 10). Die Spektren erster Ord-

nung sind ziemlich unkompliziert und können in der Regel direkt analisiert und quantifiziert

werden. Dagegen erfordert die Auswertung von Spektren höherer Ordnung (ausgenommen


Abbildung 18: 1H-NMR-Spektren (aromatische Bereiche) von 2,4’-MDA und 4,4’-MDA in D2O (links) und in CDCl3 (rechts)

einfachste AB-System) die Anwendung von zusätzlichen Simulationsprogrammen. Signal-

überlappungen erschweren diesen Prozess. Während ein Spektrum erster Ordnung des

A2X2–Spinsystems aus zwei symmetrischen Tripletts besteht, liefert ein starkgekoppeltes

AA’BB’-System ein sehr kompliziertes Spektrum aus 24 Linien. Die Verwendung eines

Gerätes mit einem stärkeren B0 steigert den Quotienten Q gemäß Gleichung (7) und ver-

einfacht dadurch das Spektrum.

Die meisten Komponenten des Polyamingemisches sind ortho-, para–substituierte Benzole.

Ihre aromatischen Protonen liefern, je nach den Messbedingungen, ein Spektrum erster oder

höherer Ordnung. Mit einem typischen 3JH-H –Wert von 7 – 9 Hz für die Benzolderivate,

Q = 10 und ν0 = 400 MHz erhält man einen minimalen Wert ∆δ von 0.2 ppm für die A-

nalyse der gekoppelten Resonanzen nach der 1. Ordnung. Vergleichend mit diesem Grenz-

wert kann die Variation der Aufnahmebedingungen wesentlich größere Signalverschiebun-

gen hervorrufen. Folglich kann man dadurch zu einfachen Spektren kommen.

In Abbildung 18 werden 1H-NMR-Spektren von 2,4’-MDA und 4,4’-MDA in 0.2 M

HCl/D2O und CDCl3 dargestellt. Der Anstieg von ∆δ von ca. 0.15 ppm in wässriger Lö-

sung auf 0.3 ppm in CDCl3-Lösung führt zur Transformation von komplizierten Spektren

höherer Ordnung in Spektren erster Ordnung. In letztem Fall können alle Signale leicht zu-

geordnet werden.

7.007.107.207.307.40

6.907.007.107.207.30 6.506.606.706.806.907.00

6.506.606.706.806.907.007.10

NH2 NH

2

NH2

NH2

δ/ppm δ/ppm

δ/ppm δ/ppm

44 2 Grundlagen

Abbildung 19: 1H-NMR-Spektrum (aromatischer Bereich) von einer Mischung 2,4’-MDA und 4,4’-MDA (1:3) in CDCl3 – 2,4’-MDA; – 4,4’-MDA

Sollte eine Isomerenmischung in CDCl3 – Lösung vorliegen, können beide Komponenten

dank einigen „sauberen“ Peaks quantifiziert werden (Abbildung 19). Dagegen fallen in wäss-

riger Lösung alle Signale zusammen.

Neben der chemischen Verschiebung ist die Spinkopplung eine wichtige Informationsquelle

zur Struktur von Analyten. Jedoch ist bei einer kinetischen Untersuchung dieser Effekt eher

unerwünscht, denn er erschwert das Quantifizieren. Die Verwendung der inverse-gated 1H-Breitband-Entkopplung bei der Aufnahme von 13C-Spekteren lässt diesen Nachteil um-

gehen. Die Entfernung der 1H-13C–Kopplungen konzentriert alle Multipletts in die Singu-

letts ohne Änderung ihrer Intensitäten. In den 1H-Spektren ist nur die selektive Unterdrü-

ckung von ein oder zwei (je nach Gerätausstattung) 1H-1H–Kopplungen möglich, was

intensiv in der Strukturaufklärung angewendet wird.

6.506.606.706.806.907.007.10

+

δ/ppm


Quantitative Auswertung der NMR-Signale

Die Signalintensitäten in 1H- und 13C-Spektren sind gleichmäßig proportional der Konzent-

rationen der entsprechenden Kerne. Jedoch können in 1H-Routinespektren ein Integrations-

fehler von 10 – 20% für die Hauptkomponente und wesentlich höhere Fehler für die Neben-

komponenten auftreten [77, S.115]. Da eine solche Genauigkeit für quantitative Messungen

deutlich unzureichend ist, sind spezielle adäquate Protokolle bei der Spektrenaufnahme zu

verwenden. Diese sind in der Literatur ausführlich beschrieben [79]. Im Folgenden werden

nur die für diese Arbeit wichtigen Parameter angegeben.

1. Akkumuliert man FID (free induktion decay) zwecks der Verbesserung des Sig-

nal/Rausch-Verhältnisses („S/N-Verhältnis“), so muss eine Wartezeit (puls delay) von min-

destens 5T1 des langsamsten Kerns in Kauf genommen werden. In der 1H-Spektroskopie

gilt diese Forderung sogar bezüglich der Protonen, deren Signale nicht für die Quantifizie-

rung benutzt werden, damit die Gefahr der Intensitätssteigerung wegen des restlichen NOE-

Effekts vermieden wird. Im 13C-NMR sind nur die in die Quantifizierung einbezogenen

Kohlenstoffkerne und ihre nächstliegenden Protonen zu berücksichtigen.

Die gemessene longitudinale Relaxationszeit T1 der Aminobenzylaniline und Methylendia-

niline in CDCl3–, H2O– und Anilinlösung bei Raumtemperatur fällt in den Bereich 1 – 2 s

für Protonen und 2 – 3 s für protonierte 13C-Kerne. Also erfordert die „5T1-Regel“ eine mi-

nimale Wartezeit von 10 s bei der Aufnahme der 1H-Spektren und 15 s bei 13C-Spektren.

2. Das FID muss gut digitalisiert werden. Konventionell gilt, dass fünf Abfragepunkte

pro Resonanz-Halbwertbreite ausreichend gut die Signalform wiedergeben. Die minimale

Halbwertbreite der Banden in den 1H- bzw. 13C-Spektren des Polyamingemisches beträgt

0.4 Hz bzw. 2 Hz in der CDCl3-Lösung und wesentlich mehr in der An-Lösung. Damit er-

geben sich die Anforderungen zur digitalen Auflösung entsprechend 0.1 Hz (1H) und 0.5

Hz (13C), und, folglich, eine minimalen Akquisitionszeit von 10 s (1H) und von 2.0 s (13C).

Da jedoch die T2*-Werte der beiden Kerne um Faktor 6÷10 niedriger sind, wurde in dieser

Arbeit die Akquisitionszeit auf 3.7 s (1H) und 1.2 s (13C) eingestellt. Die FID wurden fer-

ner unter der Verwendung von Zero-Filling (bis 10,1 s für 1H- und 2.8 s für 13C-Spektren)

prozessiert, um die geforderte Digitalresolution zu erreichen.

3. Des weiteren wurden bei der Aufnahme von 13C-Spektren zwecks der S/N – Verbesse-

rung eine inverse-gated 1H-Breitband-Entkopplung und beim Prozessieren eine Exponenti-

46 2 Grundlagen

( )max² ( )²

max 2max

1( ) e

1 ²

bI Ia

δ δδδ δ

− ⋅ −= ⋅ ⋅+ ⋅ −

(8)

al-Multiplication (i.e. Fenster-Funktion FE = exp(-t/lb)) verwendet. Der Line-Broadening

Parameter lb wurde nach [77] auf 1.0 s eingestellt.

4. Der Integratonsbereich soll idealerweise ein 20-faches der Resonanz-Halbwertbreite

(ν1/2) auf beide Seiten hin abdecken, um 99% des Standard-Lorentzian-Signals zu erfassen

[78]. Diese Forderung ist in der Praxis nicht realisierbar wegen a) der starken Signalüberlap-

pung, b) dem hohen Grundrauschen und den Störungen der Basislinie. Peaks, die sich gut

von den anderen Resonanzen abtrennten, wurden in dieser Arbeit stets innerhalb der ca.

3·w1/2-Grenzen integriert.

Überlappungen von NMR-Signalen verursachen in der Regel große Fehler bei der Direktin-

tegration. Eine verlässliche quantitative Auswertung ist dann nur mit computergestützten

Methoden der Spektrendekonvolution möglich. Hierbei werden den einzelnen Peaks indivi-

duelle Banden zugeordnet, an die eine mathematische Funktion angepasst wird. Die Summe

der Intensitäten aller Banden muss das gesamte Spektrum wiedergeben. Die angepassten ma-

thematischen Funktionen können analytisch integriert werden und man erhält somit die

Peakflächenanteile der detektierten Molekülgruppen.

Abbildung 20 zeigt als Beispiel ein 1H-NMR-Spektrum (Ar-CH2-Ar’ – Bereich) eines

Polyamingemisches, das während einer reaktionskinetischen Messung aufgenommen wurde.

Man erkennt, wie sich das Signalcluster aus der Summe der Intensitäten aller Banden zu-

sammensetzt.

Als mathematische Funktion einer einzelnen Bande wird in der Regel eine LORENTZ-GAUSS-

Funktion gewählt:

Der LORENZ-Anteil gibt ein ideales NMR-Signal wieder, während der GAUSS-Anteil statisti-

sche Abweichungen im B0-Feld berücksichtigt. Die Funktion hat vier anzupassende Para-

meter a, b, Imax und δmax, wobei Imax und δmax, die Intensität und die chemische Verschie-

bung am Maximum der Bande sind. Hier liegt also ein Optimierungsproblem mit einer

großen Anzahl anzupassender Parameter vor. Für das Auffinden geeigneter Startwerte und

für die Anpassung der Parameter wurde in unserem Institut auf der Basis der MATLAB (Ma-

thematische Programmierumgebung der Firma THE MATHWORK, INC., Masachusetts U.S.A.)

ein Hilfsprogramm entwickelt [110, 111], das die Anpassung in automatisierter und manuel-


4.14 4.10 4.06 4.02

δ/ppm

3.80 3.76 3.72 3.68 3.64

δ/ppm

Komp.5

p-ABA

o-ABA

Komp.6

2,4’-MDA

3K-MDA 24

4,4’-MDA

Abbildung 20: Auswertung eines 1H-NMR-Spektrums eines technischen Polyamingemi sches in CDCl3. Anpassung durch LORENTZ-GAUSS-Funktion. Links – Ar-NH-CH2-Ar’ – Bereich, rechts - Ar-CH2-Ar’ – Bereich. Struktur des 3K-MDA 24 siehe in Abbildung 11 experimentelles Spektrum angepasstes Spektrum Enzelnbände

ler Modi ermöglicht. Erstere konnten in dieser Arbeit nicht verwendet werden, da sich die

Spektren sehr voneinander unterscheiden. Besonders die Auswertung von 13C-NMR-

Spektren profitiert stark von die Verwendung der Bandanpassung [91], da das Grundrau-

schen der Spektren in der Regel hoch ist

Eine unzureichende Signalauflösung sowie auch „unsaubere“ Peaks, die durch starke

Shimstörungen verursacht sind, mindern merklich die Genauigkeit dieses Quantifizierungs-

verfahrens. Ihre Auswertung gelang grob durch mehrfaches Anpassen eines Spektrums. Es

48 2 Grundlagen

(9) 1 3/ 2 3/2 * 1/ 2

0 exc obs 2 ( )S N N T B T NS−∝ ⋅ γ γ ⋅ ⋅

N – Konzentration der beobachteten Kerne T – Temperatur T2

* – effektive transversale Relaksationszeit der beobachteten Kerne γexs, γobs – magnetogyrisches Verhältnis der angeregten und beobachteten Kerne

NS – Anzahl der Scans.

ergibt sich ein relativer Fehler von ca. 8% für die Signalflächen der Hauptkomponente und

von über 25% für die Signalflächen der Nebenkomponente.

5. Uniformes Anregungsprofil. Im Standard-PFT-Verfahren erfolgt durch einen recht-

eckigen Puls der Dauer tp die Anregung des Frequenzbereiches ν0 ± 1/tp entsprechend einer

(sin x)/x – Funktion [80]. Die zu quantifizierenden Resonanzen sollen nicht in Randberei-

chen liegen. Eine Vergrößerung der spektralen Bandbreite um jeweils 5 ppm für 1H- und

50 ppm für 13C-Spektra wird nahegelegt [80, 82]. Mit genügend kleinen Werten von

90º-Anregungspulsen auf den modernen Geräten (weniger als 10 µs für 1H und 13C) ist die-

se Bedingung stets erfüllt.

Empfindlichkeit

Hinsichtlich der absoluten Quantifizierung kleinster Substanzmengen ist die NMR-Analyse

eine vergleichsweise unempfindliche Methode [91]. Deswegen wurde diese Quantifizie-

rungsmethode bislang nur zu einem unbedeutenden Teil angewendet. Für ein 400-MHz–

Gerät mit 5-mm Röhrchen gelten 1017 Protonen im Messbereich (≈ 10-4 M) als untere Er-

fassungsgrenze. Die Auswertung des Einflusses verschiedener Faktoren auf das Signal-to-

Noise-Verhältnis (S/N) zeigt die folgende Gleichung [77]:

1H-NMR-Experiment

Ein routinemäßiges Verfahren der NMR-spektroskopischen Analyse des Polyamingemisches

besteht darin, dass eine Probe erst mit wässrigem Alkali neutralisiert wird [6]. Für die 1H-NMR-Messung wird dann die organische Phase abgetrennt und in einem deuterierten Lö-


Abbildung 20: 400-MHz–1H-NMR-Spektrum neutralisierter Reaktionsmischung in CDCl3-Lösung. Aufgenommen in 5-mm Rohrchen. Einsatzmol- verhältnis An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12; T = 70 ºC; t = 90 min

sungsmittel gelöst. Die störenden Signale der NH-Protonen können durch CD3COOD-

Zusatz verschoben werden [3].

Ein typisches Spektrum einer Reaktionsprobe, aufgenommen in einer 5-mm Probenrohr-

chen, wird in Abbildung 21 gezeigt. Es besteht aus drei charakteristischen Signalgruppen:

6.5 – 7.2 ppm (aromatische Protonen), 4.0 – 4.2 ppm (ABA – Protonen) und 3.65 – 3.75

ppm (MDA – Protonen). Breite Cluster von überlagerten, stark gekoppelten Multipletten

der aromatischen Protonen ermöglichen lediglich das Quantifizieren von Anilin durch direk-

te Integration des charakteristischen, getrennt von anderen Signalen liegenden, Tripletts bei

6.72 ppm.

Für die Bestimmung des Gehaltes der anderen ABA- und MDA-Komponenten werden die

mäßig aufgelösten Signalcluster der aliphatischen Protonen durch ein numerisch gestütztes

Anpassungsverfahren in einzelne Bänder zerlegt und analytisch integriert (siehe oben, Ab-

bildung 20).

δ/ppm δ/ppm

N

CH2

CH2

NH2 NH

2

ppm (t1)6.507.00

ppm (t1)3.603.703.803.904.004.104.20

NH2

H

50 2 Grundlagen

Abbildung 22: Ausschnitte aus den 1H-NMR-Spektren des Polyamingemisches in CDCl3. Nachweis geringer Mengen N-methylierter Produkte. Einsatzmolverhältnis An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12; T = 70 ºC Links – t = 15 min; rechts – t = 90 min. (S – 13C-Satellit von DMSO)

Die N-CH3 – Protonen ergeben charakteristische Peaks im Bereich von 2.75 – 2.90 ppm, die

durch die anderen Signale nicht überlagert sind und können deswegen für die quantitative

Auswertung des N-Methylgehalts benutzt werden (Abbildung 22).

Online-Experiment

Als Alternative zum herkömmlichen NMR-Experiment in Probenröhrchen kann auch ein

Online-Flow–Messverfahren zur Erfassung der Reaktionskinetik der Anilin-Formaldehyd-

Kondensation verwendet werden. Die Vorteile dieser Methode liegen auf der Hand: man

misst zeitgleich unter den vorgegebenen Prozessbedingungen, ohne die zu untersuchenden

Mischungen selbst zu beeinflussen. Damit kommt das Online-Flow–NMR-Experiment der

Forderung nach Noninvasivität sehr nah und ist deswegen für das Reaktionsmonitoring be-

sonders geeignet.

Die theoretische Grundlagen der Online–Flow-NMR-Spektrometrie sind in der Literatur

ausführlich beschrieben [81, 82, 83, 91]. Im Folgenden werden nur die für diese Arbeit wich-

tigen Aspekte analysiert. Des Weiteren bietet die Online-Technik Zeitvorteile gegenüber

dem gewöhnlichen Experiment in Rohrchen. Bei diesem ist mit einem Zeitbedarf von 5 – 15

N-Methyl-An

N-Methyl-4,4’-MDA

S S

N-Methyl-4,4’-MDA

2.90 2.85 2.80 2.75 2.90 2.85 2.80 2.75

δ/ppm δ/ppm


(10) flow

1/ 2active

∆ =π

�

V

Vν

Abbildung 23: Schematischer Aufbau der Durchflusszelle

●

Vflow

Spule

Vactive

Vpremagn

min für die Probeneinbringung, Temperierung und das „Shimmen“ zu rechnen. In einer On-

line-Anbindung lässt sich hingegen ein sehr schneller Probentransport (unter 1 min) realisie-

ren. Nach einer Totzeit von 1 – 3 min können alle drei Sekunden vollständige 1H-NMR-

Spektrum gewonnen und somit schnelle Kinetiken mit Halbreaktionszeit bis herunter ca.

3 min untersucht werden.

Als weitere Vorteile der Online-Spektroskopie sind eine Signalverstärkung wegen der erhöh-

ten Vormagnetisierung und eine günstige Verbindung mit der Mikroreaktionstechnik zu er-

wähnen. Nachteilig sind ein komplizierter Versuchsaufbau, Schwierigkeiten bei der Signal-

zuordnung in technischen Mischungen mit variierenden pH-Werten und eine Linien-

verbreitung (∆ν1/2) wegen höherer Viskosität und Fließeffekte, vgl. Gleichung (10).

Hier bezeichnet Vactive im Nenner den aktiven Detektionsbereich einer Durchflusszelle (Ab-

bildung 23), wo die vorpolarisierten in Vpremagn. Kerne angeregt werden und ein daraus re-

sultierendes FID detektiert.

Um vollständige Gleichgewichtsmagnetisierung zu erreichen, was für quantitative Messun-

gen stets gefordert ist, muss die Aufenthaltsdauer im Vormagnetisierungsvolumen länger als

52 2 Grundlagen

premagn.flow,max

1,max5

VV

T=

⋅

�

(11)

(12) aktiver,min

flow

V

V

t =�

der fünffache Wert der längsten T1-Zeit der Messprobe sein. Diese Forderung beschränkt die

maximale Flussrate:

Für die Online-Experimente wurde ein Varian-Tripelresonanzprobenkopf mit einer fest ein-

gebauten Durchflusszelle mit 95 µl aktiven Bereich und einem Vormagnetisierungsvolu-

men von 150 µl verwendet. Mit typischen Werten der T1-Zeiten von 2 s (1H) und 4 s (pro-

tonierte 13C ergibt sich eine maximale quantitative Flussrate von 0.9 ml/min (1H) und

0.5 ml/min (13C).

Die Pulsrepetitionszeit tr ist ihrerseits von der Flussrate abhängig. In den Flow-

Experimenten wird in der Regel eine neue Messung erst dann gestartet, wenn die Kerne im

Messbereich vollständig mit frischmagnetisierten Kernen aus dem Vormagnetisierungsvolu-

men verdrängt sind. Folglicht gilt für die minimale Zeit tr in den Online-Flow-Expe-

rimenten:

Diese Forderung ersetzt die „5T1-Beschränkung“ auf tp,min beim herkömmlichen Röhr-

chen-Experimenten, sowie auch bei den Online-Experimenten im Stop-Flow-Modus. Für die

oben gegebenen Parameter der Durchflusszelle beträgt tp,min 6 s (1H) und 10 s (13C) bei

der maximalen Flussrate. Im Vergleich mit Röhrchen-Experimenten erzielt man somit einen

ca. 1.5-fachen Gewinn (generell - um den Faktor Vpremagn/Vactive) in der Zeitauflösung (1H)

oder der Empfindlichkeit (13C).

Bei den reaktionskinetischen Online-Messungen ist in der Regel eine Verwendung von der

deuterierten Lösungsmitteln für Lock und Shim unmöglich. Moderne NMR-Magnete besit-

zen jedoch eine sehr gute B0-Stabilität, so dass Aufnahmezeiten von mehreren Stunden ohne

Lock realisierbar sind. Beim Vorhandensein eines starken dominanten Signals im Spektrum

kann eine automatische Feld-Homogenisierung („Shim“) durchgeführt werden [83].

Ein geeigneter für Online-Experimente Grundaufbau sowie auch einige experimentelle As-

pekte der Online-Messungen wurden bei Maiwald et al. [52] geschrieben.


Abbildung 24: 100.5-MHz-13C-NMR-Spektrum der organischen Phase eines Reaktions-gemisches im Flow. Aromatischer Bereich. Einsatzmolverhältnis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12; T = 70 ºC; t = 60 min nt=64, d1=12 s, Inverse-Gated Decoupling Gesamtakquisitionszeit 12’30’’

- Anilin; - 4,4’-MDA; - p-ABA

13C-NMR-Experiment.

In 1H-Spektren technischer Polyaminmischungen kommt es zu starken Überlagerungen, was

ihre Auswertung erschwert (Abbildung 21). Die hohe spektrale Dispersion der 13C-NMR-

Spektro-skopie (ca. 200 ppm gegen 12 ppm in Protonenspektren) ermöglicht potentiell ein

besseres Auflösen der Signale von strukturähnlichen Komponenten. Abbildung 24 zeigt ei-

nen aromatischen Bereich des 13C-NMR-Spektrums der organischen Phase eines technischen

Gemisches, aufgenommen im Flow mit Phasentrennung (Kapitel 3.1).

Wegen der niedrigen natürlichen Häufigkeit von 13C-Kernen (1.1%) und des viermal niedri-

geren im Vergleich mit Protonen magnetogyrischen Verhältnisses γ beträgt die absolute

Empfindlichkeit der 13C-NMR-Spektroskopie gemäß Gleichung (9) nur 1.76·10-4 der

ppm (f2)115.0120.0125.0130.0135.0140.0145.0150.0

14

+

δ/ppm

54 2 Grundlagen

Empfindlichkeit der 1H-NMR-Spektroskopie. Sogar für die konzentrierten technischen Mi-

schungen müssen viele Interferogramme akkumuliert werden, um zu einem ausreichenden

S/N zu kommen.

Bei Pulsrepetitionen muss die oben für die quantitativen Messungen formulierte 5T1-Re-

gelung beachtet werden. Eine exakte Erfüllung dieser Forderung führt jedoch zu einer unak-

zeptabel langen Aufnahmezeit (für das Spektrum in Abbildung 24 – über 12 min). Ein

Kompromiss wurde bei Maiwald et al. [83, 84] vorgeschlagen. Demgemäß lassen sich bei

quantitativen 13C-Messungen die unvollständige Relaxation der Kerne und die NOE-

Verstärkung in Kauf nehmen. Voraussetzung für das Gewinnen quantifizierbarer Spektren

sind geringe T1-Unterschiede der betrachteten Kerne, wie zum Beispiel bei den protonierten

Kohlenstoffatomen in den aromatischen Ringen (δ = 115 – 132 ppm) der Komponenten der

Polyaminmischung. In diesem speziellen Fall führt auch die Aufnahme unter ERNSTbedin-

gungen zu relativ kleinen Quantifizierungsfehlern.

DEPT-Experment.

Eine indirekte Beobachtung von protonentragenden 13C-Kernen ist auch über den Polarisati-

onstransfer von Protonen möglich. Das wird in der DEPT-Spektroskopie (Distortionless

Enhancement by Polarisation Transfer) ausgenutzt. Gegenüber der direkten 13C-Spektro-

skopie führt die Methode zu einem deutlichen Empfindlichkeitsgewinn. Nach Gleichung (9)

ergibt DEPT eine Steigerung von S/N in einzelnem Scan von einem Faktor 4. Ferner er-

möglicht es eine kürzere Repetitionszeit, wegen der schnelleren Protonenrelaxation. In Ab-

bildung 25 ist ein 13C-DEPT-90-Spektrum einer Polyaminmischung dargestellt. Die Zu-

sammensetzung dieser Mischung ist fast identisch mit der von Abbildung 24.


Abbildung 25: 13C-DEPT-90-Spektrum des Reaktionsgemisches (aromatischer Bereich) im Flow, Einsatz An:FA:HCl:H2O=6:1:0.5:0.5 (mol); T = 70 ºC; t = 120 min, nt = 32, d1 = 8 s, J = 150 Hz, Gesamtakquisitionsdauer 4.5 min

- Anilin; - 4,4’-MDA; - 2,4’-MDA, - p-ABA

Auffallend ist die deutliche Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses, das in dreimal kür-

zerer Akquisitionszeit (4.5 min gegen 14 min) erreicht wurde. Detektierbar ist auch eine der

Nebenkomponenten – 2,4’-MDA (jedoch nur bei großem Umwandlungsgrad). Die Nachteile

der DEPT-Technik sind:

1) Es ist keine quaternäre 13C-Beobachtung möglich.

2) Die Spektrenqualität hängt ab von der korrekten Einstellung der Akquisitionsparameter,

insbesondere der Dauer des 90º-Anregungspulses (pw-90) an die Protonen und an die 13C-Kerne. Eine Änderung der magnetischen Suszeptibilität des Reaktionsmediums

(zum Beispiel wegen der Variation des pH-Wertes, der Temperatur, wegen des Reak-

tionsfortschrittes) erfordert folglich zeitaufwendige Kalibrierungsmessungen.

3) Es gibt keine Information in der Literatur bezüglich einer Möglichkeit zur quantitativen

Auswertung auf der Basis der DEPT-Spektren.

Für die detaillierte Beschreibung der DEPT-Spektroskopie und verwandten NMR-Methoden

(APT, INEPT, PENDANT) wird auf die NMR-Literatur verwiesen [77, 85, 86].

+

128.50129.00129.50130.00 113.0114.0115.0116.0117.0118.0119.0120.0

δ/ppm

56 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse__

3 Untersuchungen an technischen Systemen

3.1 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse

Die Umsetzung von Anilin mit Formaldehyd erfolgt, je nach Reaktionsbedingungen und

Umwandlungsgrad, in einem homogenen, in einem heterogenen zweiphasigen (Flüssig- Flüs-

sig) oder in einem heterogenen dreiphasigen (Flüssig-Flüssig-Flüssig) System. Im Fall von

heterogenem System spielt die adequäte Beschreibung der in allen Phasen ablaufenden Reak-

tionen sowie auch des Stofftransports innerhalb und zwischen den Phasen eine zentrale Rolle

für die Prozessmodellierung. Teilweise können die dafür notwendigen Daten durch die sorg-

fältige Untersuchung des Konzentrationsverlaufs der Spezies in den Experimenten, die ge-

mäß folgender Systematik durchgeführt sind:

A. Reaktionsansatz und Reaktionsbedingungen bedingen durchgehend homogene Mi-

schung – ein günstigster Fall für die kinetischen Messungen. Eine weitere Vereinfa-

chung der Datenauswertung ergibt die Verwendung eines großen Überschuss an Anilin

(„Anilin-Matrix“) oder an Wasser („Wassermatrix“), weil in diesem Fall die Reaktion

pseudo-nullter bezüglich dieser Komponente hat.

B-1. Reaktionsansatz und Reaktionsbedingungen liegen in technisch interessantem Bereich,

was am mindest am Prozessanfang eine zweiphasige Reaktionsmischung bedingt.

Messungen am dispersen System ohne Phasentrennung ergeben den Konzentrations-

verlauf der Komponenten gemittelt über das ganze Reaktionsvolumen.

B-2. Zweiphasige Reaktionsmischung: Messungen mit vorausgegangener Abtrennung der

Phasen ergeben die Verteilung und den Konzentrationsverlauf der Komponenten in

beiden Phasen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Tauglichkeit der in der Kapiteln

2.2.3 und 2.2.4 beschriebenen NMR-Methoden für die Reaktionsverfolgung in oben aus-

geschilderten drei Varianten der Experimentdurchführung (weiter bezeichnet als „Untersu-

chungsfelder“) getestet. Es folgt eine kurze Beschreibung der NMR-Experimente. Die Ak-

quisitionsparameter sind in Anhang angegeben.

Die Aufnahme der herkömmlichen 400 MHz - 1H-Spektren in Röhrchen erfolgte stets bei

T = 25ºC. Eine übliche Methode zur Probenvorbereitung besteht darin, dass die entnommene

Einwaage der Reaktionsmischung alkalisiert wird, um den Kondensationsprozess zu stoppen

3. Untersuchungen an technischen System. 57

Abbildung 26: Unterdrückung der NH-Resonanzen durch H/D-Umtausch.Aliphatischer Bereich des 1H-NMR-Spektrums der Polyaminmischung.Links – Flow-Spektrum einer reagierenden Mischung (Aufnahme beiT = 70 ºC). In der Mitte – herkömmliche Aufarbeitung, CDCl3 -Lösung.Rechts – Aufarbeitung mit H/D-Umtausch, CDCl3 -Lösung

[67]. Man wäscht die anfallende organische Phase mit Wasser und löst in einem deuterierten

Lösungsmittel. Nach einem Vorschlag von Ringel et al. [3] setzt man weiter die ausreichende

Menge der CD3COOD dieser Lösung zu (erfahrungsgemäß ist zum mindest 5-fache Ge-

wichtsmenge gegen der Probeneinwaage erforderlich), um die störenden intensiven Signale

der NH-Protonen in niedriges Feld zu verschieben. Dieses Verfahren wurde in dieser Arbeit

nicht verwendet, da die zugegebene Säure weiteren Fortgang der Kondensation verursachen

kann. Die Resonanzen von H2O- und NH-Protonen wurden dadurch unterdrückt, dass die

entnommene Probe zuerst mit D2O ausgeschüttelt (schneller H/D-Austausch in säurehalti-

gem Medium), danach mit 1N-NaOD in D2O alkalisiert und anschließend mit CDCl3 ext-

rahiert wurde. Einen Vergleich mit der 1H-NMR-Spektren der Reaktionsproben nach der üb-

lichen Aufarbeitung und ohne Aufarbeitung (Durchfluss-Experiment, siehe weiter)

veranschaulichen die Beispiele in Abbildung 26. Eine Abschwächung der NH-Resonanzen

auf dem dritten Spektrum ermöglicht eine zuverlässige Integration der MDA- und der ABA-

Signale.

3.504.00 3.504.004.004.50

ABA

MDA

δ/ppm

δ/ppm

δ/ppm


.Alternativ zu diesem Verfahren wurde versucht, für die Unterdrückung der NH-Resonanzen

eine PRESAT-Sequenz einzusetzen. Die Einstrahlung mit einem Offset ∆ν =100 Hz zu

den MDA-Signalen (gezeigt bei dem Pfeil in Abbildung 26) führte zu einer ca. 30%-igen

Änderung der Signalintensität und zur Phasenverzerrung und wurde deswegen nicht weiter

verwendet.

Für die Bandintegration wurde die Dekonvolutionsroutine angewandt, wie im Kapitel 2.2.2

erläutert. Die Konzentrationsbestimmung erfolgte gegen einen inneren DMSO-Standard

oder gegen die gesamte Fläche der aromatischen Protonen, dessen summarische Konzentra-

tion im Reaktionsverlauf sich nur gering verändert.

Die 13C-NMR-Spektren (100.5 MHz) wurden ohne Verwendung eines Lösungsmittels auf-

genommen, um eine maximale Signalintensität zu erhalten. Wegen der hohen Viskosität der

Polyaminmischungen wurden diese Messungen bei einer Temperatur von 70ºC durchge-

führt. In Vormessungen mit einem Modellgemisch An–An·HCl–D2O–4,4’-MDA (5 mol%)

wurde gezeigt, dass mindestens 64 Interferogramme zu akkumulieren sind, um eine akzep-

table Schwankung der Flächen der MDA-Signale von weniger als 20 % zu erreichen. Mit

einer Pulsrepetitionszeit von 12 s belief sich die Aufnahmezeit auf 13 min

Die DEPT-90-Spektren wurden nur in Online-Flow-Experimenten aufgenommen. Es wur-

de eine DEPT-Sequenz mit 90º-Anregungspuls verwendet, weil diese eine maximale

Empfindlichkeit auf CH-Gruppen hat (eliminiert jedoch CH2-Resonanzen) und ein wesent-

lich schnelleres Pulsen im Vergleich mit DEPT-135 ermöglicht. Es wurden 32 Scans mit

einer Repetitionszeit von 8 s akkumuliert. Damit belief sich die Aufnahmezeit auf 4.5 min.

Die Quantifizierung erfolgte gegen die gesamte Fläche der aromatischen Kohlenstoffkerne

oder, bei Reaktionsdurchführung in Anilin-Matrix, gegen die Flächen der C-2 (116.1 ppm)

und C-4 (119.0 ppm) von dem Anilin.

Ein Grundaufbau für die Online-Flow-Experimente wurde bei Maiwald et al. [83, 91] vor-

geschlagen. Dieser Aufbau wurde, wie es in Abbildung 27 gezeigt, mit einem Phasentren-

nungskreis (Pumpen P2, P3 und temperierter Dekanter D1) ergänzt, was eine separate Ana-

lyse der Phasen der heterogenen Reaktionsmischung ermöglicht. Die Fliessgeschwindigkeit

durch den D1 betrug 7 ml/min, was einer Verweilzeit von ca. 3 min entsprach und eine

vollständige Phasentrennung ergab. Je nach der Position des Saughebers wurde die untere

organische oder die obere wässrige Phase in einer temperierten Leitung von der HPLC-


Abbildung 27: Versuchsaufbau von Online-Flow-Experiment zur Untersuchung der zweiphasigen Reaktionssystem mit Phasentrennung

V1

V3 F1 V4 V5, regulierbar

V2

P1

C1

V6

Spül P1

P2

D1

Split

Pumpe P1 zum NMR-Gerät geführt. Um eine für die quantitative Auswertung optimale

Fliessgeschwindigkeit von 0.5 – 0.9 ml/min in der Messzelle selbst zu erreichen, wurde ca.

¾ – 9/10 des Probenflusses in einem T-Stück („Split“ in Abbildung 27), das unmittelbar vor

dem Einlass des NMR-Probenkopfs eingebaut ist, abgezweigt und durch einen regulierbaren

und in den Reaktor C1 zurückgebracht. Das gewünschte Splitverhälnis mittels eines Rück-

druckreglers V5 in der Beipaß-Linie eingestellt. In Experimenten, in denen sich das Reak-

tionsgemisch durchgehend einphasiges bleibt und in denen NMR-Spektren am zweiphasigen

dispersen System akquiriert wurden (d.h. Untersuchungsfelde „A“ und „B-1“), wurde der

Phasentrennungskreis nicht benutzt. Die flüssige Probe wurde in diesem Fall unmittelbar aus

dem Reaktor C1 zum NMR-Probenkopf zugeführt Die Flussrate betrug von 2 ml/min

(aus dem Dekanter) bis 6 ml/min (aus dem Reaktor C1).

Ein wesentliches Problem dieser Technik besteht in der Neigung des Systems Anilin-

Formaldehyd zu verharzen. Die Oligomerenbildung führt auf diese Weise zum Verstopfen

der Leitungen. Deswegen wurden Leitungen mit einem vergleichsweise großen Innen-

durchmesser von 0.75 mm verwendet, was bei einer Flussrate 2 – 6 ml/min und bei der

Länge der Probenleitungen ca. 3 m akzeptable Transportzeiten von ca. 1.2 – 3.5 min ergibt.


Die Reaktionskinetik wurde mit einer Pseudo-2D-Pulssequenz aufgenommen (eindimensio-

nale Spektren vs. Zeit). Man erhält eine Reihe von NMR-Spektren zu vorgegebenen Zeiten

mit verlängerter Wartezeit (Parameter „Preacquiasition Delay“, pad), die in einem Datensatz

kombiniert wurden.

Im Folgenden sind die Resultate der Testmessungen zusammengefasst:

1. 1H-NMR-Messungen in Röhrchen in CDCl3-Lösung: Dieses einfachsten Messverfahren

liefert hochaufgelöste Spektren (Abbildungen 21, 22). Die entnommenen Proben können

nach der Neutralisation und Extraktion lange Zeit bei -10 ºC aufbewahrt werden. Das Ex-

periment ist geeignet für Messungen in allen beschriebenen Untersuchungsfeldern. Quanti-

fizierbare Komponenten der Reaktionsmischung sind: p-ABA, o-ABA, 2,4’-MDA,

4,4’-MDA, 3K-MDA, N-Methyl-4,4’-MDA, Anilin, (veranschaulicht in Kapitel 2.2.2 in

Abbildungen 20, 21, 22), sowie auch die ABA–Funktionalität, MDA–Funktionalität und

N-Methyl–Funktionalität. Die Signalzuordnung der oben genannten individuellen Verbin-

dungen erfolgte über Aufstockungsmessungen und wurde dadurch erleichtert, dass ihre Ver-

schiebung praktisch unabhängig von der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches bleibt.

Die Definieren der Peakflächen der Signalcluster bei 3.66 – 3.80 ppm, 4.00 – 4.16 ppm und

2.75 – 2.94 ppm entsprechend als MDA-, ABA- und N-Methyl–Funktionalität konnte nur

aufgrund ihrer Lage relativ zu Signalen bekannten Komponenten gemacht werden.

Nachteilig ist starke Überlagerung der Methylenprotonen-Banden. Ihre Integration ist nur

mittels der Dekonvolutionsroutine möglich. Die Genauigkeit dieses Quantifizierungs-

verfahrens wurde durch mehrfaches Anpassen von Spektren der zwei Modellmischungen mit

unterschiedlichem Gehalt an ABA und MDA ausgewertet. Es ergibt sich ein relativer Feh-

ler von ca. 10 % für die Komponente mit Gehalt von 10 Mol.-% und höher (im folgenden

als „Hauptkomponente“ bezeichnet) und über 25 % für die Komponente, deren Gehalt unter

10 Mol.-% liegt (im folgenden als „Nebenkomponente“ bezeichnet).

2. Online-Flow-1H-NMR-Messungen homogener Mischungen in einer Anilin-Matrix (d.h.

Untersuchungsfeld „A“) ergeben Spektren mit nur leicht verbreiterten Banden gegenüber den

„Röhrchen“-Messungen. Jedoch werden die im Reaktionsfortlauf sich verkleinernden Linien

der aliphatischen Protonen der ABA-Komponenten bei 4.2 – 4.4 ppm zunehmend von

NH2-Signalen (die im Gegenteil ansteigen) überlagert (Abbildung 28):


Abbildung 28: Verfolgung der säureinduzierten Umwandlung von Aminal 7 in homoge-nem anilinreichem Medium. Durchfluß-1H-NMR-Spektren vs. Reaktions-zeit (t), aliphatischer Bereich. Unteres Spektrum (t = 0’) wurde bevorZugabe von HCl aufgenommen. Signalzuordnung sieh in Abbildung 29.Einsatzmolverhältnis: An:7:HCl:H2O = 6:1:0.5:0.5, T = 70 ºC

Anfangsspektrum unten (t = 0’) gehört zur Lösung von Aminal 7 (erkennbar durch Singu-

lett bei 4.6 ppm) in Anilin. Die ABA-Signale steigen unmittelbar nach dem Zugabe der

Salzsäure in t = 0’ sprunghaft an, da die säureinduzierte Umsetzung von 7 sehr schnell er-

folgt. Die nachfolgende Umwandlung der ABA in MDA (erkennbar durch zunehmenden

Signalcluster bei 3.6 ppm) verläuft langsamer und kann mit der Anwendung dieser Technik

zuverlässig verfolgt werden. Deutlich zu erkennen ist auch die Koaleszenz der NH- und

NH2-Signale (δ = 4,2 ppm und δ = 3.6 ppm im Spektrum t = 0’) nach der Säurezugabe und

ihre starke Verschiebung zum tieferen Feld hin. Abbildung 29 veranschaulicht als Beispiel

die Zerlegung des ABA- und des MDA-Signalclusters des Spektrums t = 40’ in indivi-

duelle Bände.

420’

270’

180’

120’

80’

40’

20’

0’

3’

10’

3.003.504.004.50

δ/ppm

4.50 4.00 3.50 3.00

ABA MDA NH- + H2O


Abbildung 29: Dekonvolution und Signalezuordnung des Online-Flow-1H-NMR-Spekt-rums t = 40’ in Abbildung 28 (ABA- und MDA-Bereiche)

Bei variierenden pH-Werten ergibt sich jedoch ein weiteres Problem der Signalzuordnung,

insbesondere innerhalb der ABA- und MDA-Cluster. Durch Solvatochromie kommt es zur

Signalverschiebung, die nur schwer durch Aufstockungsmessungen beherrschbar ist. Das

verhindert die Identifikation und Verfolgung der Kinetik der Nebenkomponente. Für manche

Komponenten kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass man während des Verlaufs

des Online-Experiments einige Proben der Reaktionsmischung entnimmt und für die her-

kömmlichen 1H-NMR-Messungen wie oben beschrieben präpariert. Die Signalzuordnung

erfolgt weiter durch direkten Vergleich den entsprechenden Flow-1H-Spektren und 1H-Spektren in CDCl3-Lösung, da in letztem Fall die Signalposition in der Regel unabhän-

gig von der Reaktionsbedingungen ist, und im Zweifel die Signalzugehörigkeit durch die

Aufstockungsexperimente abgesichert werden kann. In dem auf der Abbildung 28 darge-

stelltem Beispiel wurden während des 7-Stundigen Online-Experiment 3 Proben für die

herkömmlichen 1H-NMR-Messungen und für die Aufstockungsmessungen entnommen. In

letztem Fall wurden Proben sofort nach der Entnahme im flüssigen Stickstoff eingefroren

und bis Spektrenaufnahme bei -10 ºC aufbewahrt.

Auch weist der Resonanzbereich der NH-Protonen eine starke Abhängigkeit von der Säure-

konzentration auf (Abbildung 30). Das kann zur vollständigen Überlappung der Signale der

Methylenprotonen oder zu einer erheblichen Phasenverzerrung der umliegenden Resonanzen

wegen des sog. „Radiation-Damping-Effektes“ führen (Abbildung 30, rechts).

4.45 4.40 4.35 4.30 4.25 4.20 3.60 3.55 3.50 3.45 3.40 3-.35

δ/ppm

3K-MDA

o-ABA

p-ABA

2,4’-MDA

4,4’-MDA


Abbildung 31: Online-Flow-1H-NMR-Spektrum an Emulsion

Abbildung 30: Online-Flow-1H-NMR-Spektrum einer homogenen Reaktionsmischung bei unterschiedlichen pH-Werten. Links: An:FA:HCl:H2O = 6:1:0.5:0.5; rechts: An:FA:HCl:H2O = 6:1:0.2:0.5; T = 70 ºC

Abgesehen von dieser Schwierigkeit ist die Aussagekraft von 1H-NMR-Messungen in Röhr-

chen und 1H-NMR-Flow-Messungen im Untersuchungsfeld „A“ äquivalent.

3. In Untersuchungsfeld „B-1“ der (d.h. zweiphasige Reaktionsmischung, Messungen an

Emulsionen) liefern Online-Flow-1H-NMR-Messungen die Spektren mit stark verbreiteten

Linien (Abbildung 31):

Die Spektren erlauben keine Quantifizierung einzelner Komponenten, sind also nur für die

annähernde Auswertung des Umwandlungsgrades geeignet.

3.803.904.004.104.204.304.403.803.904.004.104.204.304.404.50

δ/ppm

δ/ppm

4.50 4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 4.50 4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80

δ/ppm

6.40 6.30 6.20 6.10 6.00 5.90 3.90 3.80 3.70 3.60 3.50

ABA

MDA


Abbildung 32: Säureinduzierte Umwandlung von Aminal in homogenem anilinreichem Medium. Online-Flow-13C-DEPT-90-Spektren vs. Reaktionszeit. Auf-nahme parallel zu Onlione-Flow-1H-NMR-Messungen (Abbildung 28). Die Akquisitionsparameter und Signalzuordnung auf dem Beispiel des Spektrums nach t = 120’ sind in Abbildung 25 dargestellt

4. Eine vorausgehender Trennung der Phasen (Untersuchungsfeld „B-2“) verbessert die

Auflösung der Flow-1H-NMR-Spektren. Wegen des variierenden pH-Wertes und des Was-

sergehaltes in den Phasen kommt es jedoch zu starken solvatochromatischen Signalverschie-

bungen und Shim-Störungen. Ein weiteres experimentelles Problem entsteht dadurch, dass

die Ansätze mit annähernd stöchiometrischem Verhältnis von Anilin und Formaldehyd (das

in dieser Variante der Experimentdurchführung in erster Linie von der Interesse ist) eine

ausgeprägte Neigung zum Auskristallisieren und Verharzen aufweisen. Das führt zu Fluss-

änderung in den Leitungen bis zum vollständigen Verstopfen und sogar zu irreparablen

Schäden der Messzelle.

5. Online-Flow-13C-DEPT-Messungen homogener Mischungen in Anilin-Matrix. Die 1H-

und 13C-DEPT-Spektren wurden parallel aufgenommen, um ihre Aussagekraft in diesem

Untersuchungsfeld zu vergleichen. Die Spektren-Reihen werden in den Abbildungen 28 (1H)

und 32 (13C-DEPT) dargestellt.

δ/ppm


In dem Spektrum t = 0’ (akquiriert vor Reaktionsbeginn) sind nur die Signale von Anilin

und Aminal (130.2, 118.9, 114.5 ppm) zu erkennen. Ebenso wie auch in 1H-Spektren (Ab-

bildung 28) ist dieses primäre Addukt schon sofort nach der Säurezugabe (t = 3 min) nicht

mehr zu identifizieren. Auf dem Beispiel des 13C-DEPT-Spektrums nach t = 120’ in Ab-

bildung 25 sind die Signale der folgenden nachweisbaren Komponenten markiert: Anilin,

o- und p-ABA, 4,4’-MDA und bei hohem Umwandlungsgrad 2,4’-MDA.

In Vormessungen von Kalibrierungsmischungen aus Anilin, p-ABA und 4,4’-MDA wurde

gezeigt, dass bei Verwendung der oben gegebenen Akquisitionsparametern die Signalfläche

adäquat den Komponenteninhalt repräsentieren. Folglich sind die 13C-DEPT-Spektren

quantitativ auswertbar. Als weiterer Nachweis wurde die Kinetik der Hauptkomponente –

p-ABA 13 und 4,4’-MDA 4, ermittelt aufgrund der parallel aufgenommenen Durchfluß-

1H- und 13C-DEPT-90-Spektren (Abbildungen 28 und 32), miteinander verglichen. Die

beiden Datensätze stimmen gut überein, wie in Abbildung 33 dargestellt.

Die Bestimmung der Konzentration in DEPT-Messungen erfolgte durch die Integration der

Peaks bei 116.6 und 129.7 ppm (4,4’-MDA), 113.6, 116.2, 117.7 und 128.8 ppm (p-ABA)

mit Referenzierung auf „saubere“ Peaks des Anilins bei 116.0 und 119.0 ppm als innerer

Standard, da sich seine Konzentration im Reaktionsablauf nicht ändern

Abbildung 33: Reaktionsmonitoring mittels Flow-NMR; Reproduziertbarkeit von 1H- und 13C-DEPT – Messungen. Reaktionsbedingungen siehe in Abbildung 28

p-ABA (DEPT), 4,4’-MDA (DEPT)

+ p-ABA (1H), 4,4’-MDA (1H)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 50 100 150 200 250 300

Zeit /min

Kon

zent

ratio

n /m

ol. l-1

4,4’-MDA

p-ABA


Abbildung 34: 13C-DEPT-90-Spektrum des Reaktionsgemischs im zweiphasigen Fluss. An:FA:HCl:H2O = 4:1:0.5:5; T = 70 ºC; nt=32, d1=8 s, J = 150 Hz, Gesamtakquisitionsdauer 4.5 min

- Anilin; - 4,4’-MDA; - p-ABA

Ein höheres Rauschen und die für DEPT-Spektren charakteristische Phasenverzerrungen

verursachen im zweiten Fall eine wesentlich größere Datenstreuung. Des Weiteren ist die

Aussagekraft der 13C-DEPT-Spektroskopie bezüglich der Kinetik von Nebenkomponenten

wegen der niedrigeren Empfindlichkeit stark eingeschränkt. In den aufgenommenen Spekt-

ren konnte keine Signale des 3K-ABA’s detektiert werden. Nur ein Signal von 2,4’-MDA

ist bei höherem Umwandlungsgrad detektierbar. Mit akzeptabler Genauigkeit können also

lediglich die Signale von o-,p-ABA und 4,4’-MDA integriert werden. Zu den Vorteilen

der DEPT-Spektren im Vergleich mit Durchfluß-1H-Spektren ist in erster Linie die Abwe-

senheit der störenden Banden der Aminogruppen zu nennen. Der breitere Resonanzbereich

erleichtert die Integration und macht eine zeitaufwendige Clusterdekonvolution unnötig. Die

pH-abhängige Änderung der Signallage der aromatischen Kohlenstoffkerne ist ziemlich ge-

ring und ist durch einfachen Spektrenvergleich beherrschbar.

6. Auch in dem Untersuchungsfeld „B-1“ (zweiphasiger Fluss) ergaben Online-Flow-

DEPT-Experimente akzeptable für die quantitative Auswertungen Spektren. Die Inhomoge-

nität der Matrix und die teilweise auftretende Phasenaggregation in Leitungen erniedrigen

die Qualität der Spektren, so dass die Genauigkeit dieser Messungen gegenüber der „Röhr-

chen-Methode“ eingeschränkt ist. Ein typisches 13C-DEPT-Spektrum ist in Abbildung 34

dargestellt. Ein 2-facher Überschuss an Anilin gegen die Stöchiometrie musste in diesem

Experiment angesetzt werden, um eine Kristallisation in den Leitungen und in der NMR-

Zelle zu vermeiden – noch eine Einschränkung gegenüber der „Röhrchen“-Methode.

115.0120.0125.0130.0

+ +

δ/ppm


Tabelle 1: Optimale NMR-Experimente für die Reaktionsbeobachtung

Der Befund, dass die DEPT-Spektren auch quantifizierbar sind, erlaubt es, die konventionel-

len 13C-Messungen durch die DEPT-Messungen zu ersetzen. Obwohl das 13C-Experiment

toleranter im Bezug auf Imperfektionen der Experimenteinstellungen ist, erfordert es eine

wesentlich längere Messzeit (gemäß Gleichung (9) ca. um Faktor 102, vergliche die Daten

und die Spektren in den Abbildungen 24 und 25), was seinen Einsatz für die Reaktionsbeo-

bachtung erschwert.

Zusammenfassung:

Aufgrund der in diesem Kapitel angegebenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 die optimalen

NMR-Techniken für die Reaktionsverfolgung in unterschiedlichen Untersuchungsfeldern

vorgeschlagen.

Bei den produktionsrelevanten Ansätzen (z. B. bei annähernd stöchiometrischem Anilin-

Formaldehyd-Verhältnis) kann für die Beobachtung des Spezieskonzentrationsverlaufs nur

das 1H-„Röhrchen“-Verfahren verwendet werden. Im Untersuchungsfeld „A“ bewährt sich

eine parallele Aufnahme der Online-Flow-13C-DEPT- und Online-Flow-1H-Spektren, was

die Zuverlässigkeit der ermittelten Daten erhöht.

Online-Flow-NMR-Messungen Untersu-chungs-

feld

1H-NMR-Messungen in CDCl3

(„Röhrchen“-Experiment) 1H-NMR 13C-DEPT

A Die Aussagekraft ist äquivalent dieser von 1H-NMR-Messungen. Niedrigerer Zeitauf-wand.

B-1

B-2

Im Vergleich mit den On-line-Flow-Messungen lie-fert mehr detaillierte Daten zur Zusammensetzung des Reaktionsgemisches in al-len Untersuchungsfeldern, ist jedoch wesentlich zeit-aufwendiger.

Einsatz nur für annäh-rende Auswertung des Umwandlungsgrades. Einschränkung auf An:FA–Verhältnis im Reaktionsansatz.

Beobachtung des Kon-zentrationsverlaufs des Anilins, des o,p-ABA und des 4,4’-MDA. Niedrigere verglei-chend mit 1H-NMR-Röhrchen-Messungen Genauigkeit und Zeit-aufwand. Für die Un-tersuchungsfelde B-1 und B-2 – Einschrän-kung auf An:FA–Ver-hältnis im Reaktions-ansatz.


Abbildung 35: Ausschnitt des 1H-NMR-Spektrums von technischem Aminal in DMSO-d6

Alle bisher diskutierten 1H-NMR-„Röhrchen“-Spektren wurden ausschließlich in CDCl3–

Lösung akquiriert. In dieser Arbeit wurden auch die andere übliche für die NMR-

Spektroskopie Lösungsmittel ausprobiert: DMSO-d6, CD2Cl2, D2O und CD3OD. Ver-

wendung dieser Lösungsmittel führte nicht zur Verbesserung der Signalauflösung, wurde

deswegen früher nicht erwähnt (außer einem Spektrum in D2O-Lösung in Abbildung 18).

Nachteilig sind auch wesentlich höhere Anschaffungskosten dieser Lösungsmittel im Ver-

gleich mit CDCl3 und zeitaufwendige Probenvorbereitung.

Doch kann in einigen Fällen durch die Variation des Lösungsmittels wichtige Informatio-

nen zur Struktur der Analyten gewonnen werden. Das wird durch ein Beispiel illustriert,

in dem die Bildung des N-Hydroxymethylanilins 6 in der Kondensationsstufe eindeutig

nachgewiesen wurde. Wie in Kapitel 2.1.1 erwähnt, wurde diese labile Verbindung bei vie-

len Autoren als primäres Kondensat formuliert, jedoch bislang noch niemals als Substanz

isoliert oder spektroskopisch charakterisiert. Wir haben das 1H-NMR-Spektrum des techni-

schen Aminals in DMSO-d6 gemessen, einem hochpolaren Lösungsmittel, das den inter-

molekularen Austausch der NH-Protonen verlangsamt und dadurch die Beobachtung der

Spin-Spin-Kopplung mit diesen Kernen ermöglicht. Die Signale einer „Verunreinigung“

(7 Mol.-% der Hauptkomponente) bei 5.97 ppm (T., J=6 Hz), 4.86 ppm (S.), 4.77 ppm

(D., J = 6 Hz) (Abbildung 35) wurden der -NHCH2OH–Gruppe des 6 zugeordnet, was

auch durch ein Doppelresonanz-Experiment nachgewiesen wurde. Die Richtigkeit der Posi-

tionierung wurde mit einer NMR-Simulationsuntersuchung unterstützt.

4.505.005.506.00

NHCH

2

NH

a a

b

NHCH

2

OH

d

e

NH2

f

a

b

c

c

d e f

δ/ppm

3.2 Phasenstand und allgemeine Untersuchung des Polyamin-H2O – Systems 69

3.2 Phasenstand und allgemeine Untersuchung des Polyamin-HCl-H2O-Systems

Es wurde des Öfteren beobachtet, dass die reagierende Polyaminmischung sich in ein

mehrphasiges System entmischt [21, 87]. Ein reaktionskinetisches Modell sollte folglich ne-

ben den in unterschiedlichen Matrizen ablaufenden Teilreaktionen auch den Stofftransport

zwischen den Phasen berücksichtigen. Erstaunlicherweise wurde bisher in der Literatur dem

Phasengleichgewicht in Polyamin-HCl-H2O-System sehr wenig Beachtung geschenkt, ob-

wohl einige Autoren darauf hinweisen, dass die Meherphasigkeit Probleme bei der Prozess-

führung verursacht [18, 28]. Um zu einem klaren Bild der Ereignisse in den Phasen zu kom-

men, wurden in dieser Arbeit als erster Schritt die Dynamik des Phasenstandes des

Reaktionsgemisches und die allgemeinen Eigenschaften der ablaufenden Umwandlungen bei

produktionstypischen Ansätzen untersucht. Zwei wichtige Fragen sollten dabei beantworten

werden:

1. Zu welchem Grad spiegelt das in der Literatur nach den Arbeiten von Wagner [37, 38,

39] diskutierte Schema der Anilin-Formaldehyd säureinduzierten Kondensation den un-

ter Produktionsbedingungen ablaufenden Prozess wider? (Das Schema wird auf dem Re-

aktionsnetzwerk in Abbildung 11 als fette Pfeile und Kästchen gezeigt.)

2. Wie groß ist der Beitrag der in der wässrigen Phase ablaufenden Reaktionen im Vergleich

zum Gesamtprozess?

3.2.1 Experimentelles

In einem mit KPG-Rührer, Innenthermometer, Rückflusskühler, N2-Einlass und einer Zulei-

tung für die Formaldehydlösung ausgestatteten 0.5-l Reaktor wurden 200 g Anilin (2.12 mol)

und 57 g 35%ige Salzsäure (0.53 mol) unter Rühren miteinander vermischt und die erhalte-

ne Suspension mit einem Ölbad auf 10 ºC unterhalb der Experimentsolltemperatur erwärmt.

Danach wurde das Ölbad entfernt und 106 g einer 30%igen Formaldehydlösung (1.06 mol)

unter heftigem Rühren (600 s-1) innerhalb eines Zeitraumes von 3 Minuten mit einer Zahn-

radpumpe zudosiert. Dabei ließ man die Innentemperatur auf Experimentsolltemperatur stei-

gen und regulierte die Reaktionstemperatur sofort unter Zuhilfenahme einer Eisbadkühlung.

70 3 Untersuchung an technischen Systemen__

Nach beendeter Formaldehydzugabe ging die Wärmeentwicklung langsam zurück und nach

4 – 6 Minuten, wenn das Entfernen des Eisbades keine Temperatursteigerung mehr auslöste,

setzte man wieder das auf Solltemperatur vorgewärmte Ölbad ein.

Probennahme und Analyse. 1) Ohne Phasentrennung: ca. 150 mg des Gemisches wurden

unter heftigem Rühren mit einer vorgewärmten Pipette entnommen, wie in Kapitel 3.1 be-

schrieben aufgearbeitet und mittels 1H-NMR („Röhrchen“-Verfahren) auf den Umsetzungs-

grad analysiert. 2) Mit Phasentrennung: 8 – 10 g Reaktionsgemisch wurden unter heftigem

Rühren in ein graduiertes Reagenzglas eingesaugt und 5 Minuten in einem Thermostat bei

Versuchstemperatur trennen lassen. Die Phasen (oben die wasserreiche, unten die anilinrei-

che) wurden dann pipettiert und analysiert. Die Analyse des Wassergehaltes erfolgte durch

Karl-Fischer-Titration. Der Säuregehalt wurde durch Alkalititration in Ethanol bestimmt und

die organische Komponente durch 1H-NMR („Röhrchen“-Verfahren). Die Signalzuordnung

der bekannten Komponenten erfolgte durch Aufstockungsexperimente. Ein typisches

Signalcluster von ABA- und MDA-Methylengruppen mit der Resonanzen-Zuordnung ist in

Abbildung 17 gezeigt.

3.2.2 Temporäre Reaktionsgebiete der Anilin-Formaldehyd-Kondensation

Je nach Komponentenverhältnis, Temperatur und Reaktionsstadium entmischt sich das Poly-

amin-Reaktionsgemisch in ein drei- oder zweiphasiges System oder wird homogen. Das

zweiphasige System besteht aus einer mäßig viskosen organischen und einer wässrigen Pha-

se. Eine dritte hochviskose organische Phase bildet sich nur bei einer Versuchstemperatur

unterhalb 67ºC zu Beginn der Synthese und kann als schleimartiger Niederschlag auftreten,

der sich im weiteren Reaktionsfortschritt wieder auflöst. Die bei uns gemessenen temporären

Reaktionsgebiete für einen produktionstypischen Ansatz der Zusammensetzung

An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12 (Mol) und Temperatur 60 ºC sind in Tabelle 2 gekennzeichnet.

Ist anzumerken, dass die Zeitgrenzen der Reaktionsgebiete stark von der Hydrodynamik des

Mischprozesses abhängig sind und bei der Reaktionsdurchführung unter anderen Mischbe-

dingungen wesentlich von den angegebenen in der ersten Spalte Werten abweichen kann.


Abbildung 36: Massenanteil wässriger Phase zum brutto-Reaktionsgemisch. Ansatz: [An] = 5.8 mol/l, [FA] = 2.9 mol/l, [HCl] = 1.4 mol/l. Ansatzmolvehät-nis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12

Tabelle 2: Temporäre Reaktionsgebiete der säureinduzierenden An-FA-Kondensation. Ansatzmolverhältnis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12, T = 60 ºC

Zeit (min)

Reaktions- gebiet

Phase Zusammensetzung (Hauptkomponenten)

0 – 120 Dreiphasiges Organische

Hochviskos. org. Wäßrige

Anilin, 2-5-Kern.ABA, MDA Oligomeres ABA, MDA Anilin, 2,3-Kern.MDA, Fa

120 – 720

Zweiphasiges Organische Wässrige

Anilin, 2-5-Kern.ABA, MDA MDA, MDA-Oligomere

720 – 1320 Einphasiges Organische ―“―

In der Abbildung 36 ist die Änderung des Anteils der wasserreichen Fraktion im Reaktions-

ablauf bei unterschiedlichen Temperaturen dargestellt.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

ntei

l

T =70OCT =65OC

T =60OC

T =80OC


Abbildung 37: Konzentration organischer Komponenten in der wasserreichen Phase (links)und des Wassers in der organikreichen Phase (rechts) in Abhängigkeit von der Temperatur und Reaktionszeit. Reaktionsansatz siehe in Abbildung 36; Einsatzmolverhältnis An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12. Für T = 60 ºC und T = 65ºC beziehen sich die Messungen in Dreiphasengebiet nur auf die flüs-sige organische Phase. Die Zusammensetzung der hochviskosen organischen Phase wurde nicht untersucht

3.2.3 Komponentenverteilung zwischen den Phasen während des Reaktions-

fortschritts

Die weiteren Diagramme zeigen die Komponentenverteilung zwischen der wasserreichen

und der organikreichen Phase als Funktion der Reaktionszeit oder des Umsatzes, sowie auch

die Kinetik einiger ABA-Komponenten im zweiphasigen Reaktionsgebiet bei unterschiedli-

chen Protonierungsgraden.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Kon

zent

ratio

n /G

ew.-

%T =70ºC T =65ºC

T=60ºC

T =80ºC

Organische Komponenten in der wasserreichen Phase

Wasser in der organikrei-chen Phase

25

30

35

40

45

50

55

60

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Kon

zent

ratio

n /G

ew.-

%

T =60ºC

T =70ºC T =65ºC

T =80ºC


Abbildung 38: Verteilung der ABA – Komponenten in Abhängigkeit von der Reaktions-zeit. Einsatzmolverhätnis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12, T = 70 ºC.

– organische Phase; –- wässrige Phase

o-ABA

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

ntei

l · 1

00%

p-ABA

0

10

20

30

40

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

ntei

l · 1

00%

ABA-komp. 5

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il · 1

00%

ABA-komp. 6

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il ·

100%


Abbildung 39: Verteilung der MDA – Komponenten und N-Methylfunktionalität in Abhängigkeit von der Reaktionszeit. Einsatzmolverhätnis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12, T =70 ºC.

– organische Phase; – wässrige Phase

4,4'-MDA

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

ntei

l · 1

00%

2,4'-MDA

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il ·

100%

3K-MDA

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il ·

100%

N-Methyl-Gehalt

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 200 400 600

Zeit /min

Mas

sena

ntei

l · 1

00%


Abbildung 40: Verteilung des Anilins, des brutto-ABA, brutto-MDA, mittleren Funktio-nalität φ in Abhängigkeit von der Reaktionszeit. Einsatzmolverhältnis: An:FA:HCl:H2O = 4:2:1:12, (siehe Abbildung 31) T = 70 ºC.

– organische Phase; – wässrige Phase

brutto-ABA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il · 1

00%

brutto-MDA

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il ·

100%

Anilin

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Mas

sena

nte

il · 1

00%

Mittl. Funktionalität (ausgeschl. Anilin)

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

φ /

mol

· m

ol-1


Katalysatorverteilung

mittlere Funktionalität

Abbildung 41: Katalysatorverteilung und die mittlere Funktionalität im zweiphasigen Reaktionssystem in Abhängigkeit von der Reaktionszeit und Umsatzgrad von brutto-ABA bei unterschiedlichen Gesamtprotonierungsgraden. Einsatzmolverhältnis: An:FA:H2O = 4:2:12 T = 70 ºC. Protonirungsgrad: - 25%, - 16%, - 10%

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

[H+] w

as /

[H+] o

rg

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

ABA-Umsatzgrad

[H+] w

as /

[H+] o

rg

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

φ /

mol

· m

ol-1

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

ABA-Umsatzgrad

φ /

mol

· m

ol-1


Abbildung 42: Gemittelter über Reaktionsvolumen Konzentrationsverlauf der einzelnen ABA-Komponente gegen die Zeit bei unterschiedlichen Gesamtprotonie-rungsgraden. Einsatzmolverhältnis: An:FA:H2O = 4:2:12, T = 70 ºC. Protonierungsgrad: - 25%; - 16%; - 10%

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

p-ABA K

onze

ntra

tion

/ mol

·l-1

0,0

0,1

0,2

0,3

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

0,05

0,15

0,10

0,00

o-ABA

Kon

zent

ratio

n / m

ol·l-1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

ABA-Komp.5

Kon

zent

ratio

n / m

ol·l-1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

ABA-Komp.6

Kon

zent

ratio

n / m

ol·l-1

0,40

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35


Abbildung 43: Abhängigkeit der mittleren Funktionalität von dem Verhältnis der Sig-nalflächen von aromatischen (ausgenommen Anilin) und aliphatischen (CH2)–Protonen bei unterschiedlichem Umsatzgrad des ABA

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

1 2 3 4 5 6

Mittlere Funktionalität

Ver

hältn

is d

er 1

H-N

MR

-Sig

nalfl

äche

n

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Anmerkungen zu den Diagrammen:

• Die Phasenzusammensetzungen wurden mittels 1H-NMR-Spektroskopie analysiert, mit der

Quantifizierung gegen einen inneren Standard (hier: DMSO). Die Signalzuordnung erfolgte

durch Aufstockungsexperimente.

• Bei der Berechnung der Gewichtskonzentration der nicht charakterisierten Komponenten

(„ABA-Komponent 5,6“) sowie der Gesamtkonzentrationen der ABA- und MDA- Kompo-

nenten („brutto-ABA“ und „brutto-MDA“) wurde von einem Molekülargewicht von 160 D

pro aliphatische CH2-Gruppe ausgegangen.

• Die mittlere Funktionalität (od. mittlere Zahl der aromatischen Kerne pro Moleküle) wurde

aufgrund des Verhältnisses der Signalflächen von aromatischen (ausgenommen Anilin) und

aliphatischen (CH2)–Protonen und unter Berücksichtigung des Umsatzgrades ermittelt (Dia-

gramme in der Abbildung 43).


3.2.4 Auswertung und Diskussion

1. Das An-HCl-H2O-Gemisch mit Molverhältnis 4:1:12 ist homogen bei T = 70º C

(siehe Abschnitt 4: „Untersuchung von Phasengleichgewichten im System Anilin-

Anilinhydrochlorid-Wasser). Die Umwandlung von Anilin durch die Formaldehydzugabe in

einige wenige hydrophile primäre Kondensationsprodukte – Aminobenzylaniline führt zur

Abtrennung einer voluminösen wasserreichen Phase. Alle organischen Komponenten (Aus-

gangsanilin, Aminobenzylaniline und Endprodukte – MDA) sind zugunsten der organischen

Phase verteilt; der Verteilungskoeffizient für die ABA-Komponente liegt im Intervall 5 ÷ 8,

für Anilin und MDA bei ca. 2 (Abbildungen 38 – 40). Der Katalysator (HCl) befindet sich

vorzugsweise in der wasserreichen Phase (Abbildung 41).

Auffällig ist der wesentlich größerer Verteilungsquotient4) von HCl (1.8 – 2 zu Reaktions-

beginn bei einem Protonierungsgrad von 0.25) im Vergleich mit dem An-HCl-H2O-System

(ca. 1.1 – 1.3 bei dem entsprechenden Protonierungsgrad, Abbildung 47 im Kapitel 4.2),

was wahrscheinlich auf eine niedrigere Löslichkeit von Aminobenzylanilinen und ihren Sal-

zen im Wasser im Vergleich mit Anilin zurückzuführen ist. Im Reaktionsverlauf wandelt

sich die organische Phase von „ABA-ähnlich“ zu „MDA-ähnlich“ um, was zur Steigerung

der Mischbarkeit führt und die Verteilungsquotienten von allen Komponenten dem Wert 1

nähert.

Aufgrund der Verteilung der ABA-Komponenten kann geschlussfolgert werden, dass die

beiden Umlagerungsstufen des Kondensationsprozesses hauptsächlich in der organischen

Phase ablaufen. Allerdings lassen der hohe Anteil von Formaldehyd und der Säure in der

wässrigen Phase sowie eine beträchtliche Konzentration des Anilins in dieser Phase vermu-

ten, dass der Prozess der N-Methylierung im wesentlichen Grad auch in dieser Phase läuft.

2. Die Bildung von ABA und oligo-ABA ist innerhalb der ersten 10 Minuten nach der

Fa-Zugabe beendet. Der Anilinverbrauch hat eine Halbwertszeit von weniger als 3 Minu-

4) Die ermittelten Daten zur Speziesverteilung können annähernd für die Berechnung der Vertei-

lungsqotienten der meisten Komponenten verwendet werden, weil die Kinetik des Stofftranspor-tes unter den Bedingungen unserer Experimente (sehr effektive Vermischung) wesentlich schnel-ler als die Kinetik der chemischen Umwandlungen zu sein scheint.


ten5). Ein darauf folgender Reaktionsschritt, die Umwandlung von ABA in MDA, verläuft

ohne zusätzlichen Verbrauch des Anilins. Man beobachtet in einem Zeitintervall von

30 – 500 Minuten eine langsame Abnahme der An-Konzentration und dafür eine annähernd

äquivalente Steigerung der MDA-Konzentration, welche man nur der Spaltung des restlichen

oligo-ABAs und der anschließenden Reaktion der freigesetzten Karbokationen-2 mit Anilin

zu MDA zuordnen kann (Schema in Abbildung 14). Aufgrund der Massenbilanz wird ver-

mutet, dass es sich dabei hauptsächlich um den Zerfall von „ABA-Komponente 6“ handelt

(Abbildung 38), eine zur Zeit nicht eindeutig identifizierte Komponente.

3. Schon im ersten Messpunkt (t ~ 5 min) wurde keine messbare Konzentration der primären

Kondensate (Aminal, …) mehr nachgewiesen. Es ist anzumerken, dass diese hochlabilen

Verbindungen auch von anderen Forschern niemals unter vergleichbaren Bedingungen de-

tektiert wurden; siehe z.B. [3] mittels HPLC-Analyse, oder [91] mittels 13C-DEPT-NMR-

Messungen. Dementsprechend weisen die ABA-Komponenten nur einen sinkenden Ast in

der kinetischen Kurve auf. Eine Ausnahme ist die „ABA-Komponente 6“, deren Konzentra-

tion im Zeitintervall von 0 – 60 Minuten ansteigt.

4. Die o- und p-Aminobenzylaniline (13, 14) beinhalten in der Summe nur 30 – 50 % der

brutto-ABA-Funktionalität. Die oligo-ABA-Komponenten sind zur Zeit nicht als Substan-

zen identifiziert und wurden von uns einzig auf Grund der Signalposition der CH2-Protonen

(4.05 – 4.22 ppm) als solche charakterisiert. Einem in beträchtlicher Konzentration (30-60 %

von p-ABA) entstandenen Zwischenprodukt – „ABA-Komponente 5“ (Singulette bei 4.17

ppm) wurde eine dreikernige lineare Struktur ABA 15-A (Abbildung 44) zugeordnet6).

Der Konzentration–Zeit–Verlauf dieses Produktes ist identisch mit dem von p-ABA. Zur

Struktur der anderen Hauptkomponente des ABA-Bereichs – „ABA-Komponente 6“ – kön-

nen zur Zeit keine zuverlässigen Aussagen gemacht werden. Der Konzentration-Zeit-

Verlauf dieses Produktes ist deutlich unterschiedlich von p-ABA: Die langsamere Bildung

und ein langsamerer Zerfall deuten auf eine höhere Stabilität unter den Reaktionsbedingun-

gen hin. Ringel bezeichnete dieses Produkt in [90] als „schwer abbaubare oligomere Di-

5) Die in [4] für vergleichbare Reaktionsbedingungen angegebene Halbwertszeit von 6 s für den

Formaldehydverbrauch, die der gleichen Größeordnung mit Kinetik des Mischprozesses im batch-Reaktor ist, können wir hier nicht kommentieren, weil weder das Experiment selbst noch die Messmethode erläutert sind.

6) Die Methylengruppen in dieser Verbindung sind praktisch identisch und haben deswegen nach [50] die gleiche chemische Verschiebung von 4.17 ppm, was auch durch die Simulationsrech-nung unterstützt wird.


N

NH2

NH2

N

NH2

N

N

NH2

N NH2

15-A14

17-A13

Abbildung 44: Einige der Hauptkomponenten des ABA-Bereichs

chine, oder ABA-I“, ohne jedoch ihm eine konkrete Struktur zuzuordnen. Es kann auch nicht

die in der Literatur beschriebene dreikernige Verbindung mit zwei ABA– und MDA–

funktionellen Gruppen („3K-ABA-MDA“ 17-A) sein. Es sind weitere Arbeiten zur Struktur-

aufklärung dieser Zwischenverbindung erforderlich, die angeblich als wichtiges Glied des

Kondensations-prozesses unter produktionstypischen Bedingungen auftritt. (vgl. Konzentra-

tionskurven für p-ABA und „ABA-Komponenten 5,6“, Abbildungen 38, 39).

Folglich kann der bei vielen Autoren formulierte Reaktionsmechanismus, in dem als

Zwischenprodukte ausschließlich o- und p-ABA auftreten (Abbildungen 6, 14), nicht

adäquat den Reaktionsverlauf im Falle eines „produktionstypischen Ansatzes“ be-

schreiben. Dieser sollte mindestens noch um ein „Kästchen“, die Bildung des oligo-ABA’s,

ergänzt werden (Abbildung 45). Das in Abbildung 6 dargestellte vereinfachte Schema

kann nur für die Prozessbeschreibung im „Untersuchungsfeld A“ ( Reaktionsdurchführung in

Anilin- oder Wasser-Matrix, Kapitel 3.1) verwendet werden, weil sich in diesem Fall als

Zwischenprodukte fast ausschließlich nur o- und p-ABA bilden (siehe 1H-NMR-Spektren in

Abbildungen 26, 32).


Abbildung 45: Einfaches .Formelschema der An-Fa-Kondensation unter Berücksichti-gung der oligo-ABA-Bildung

NH2

Nn

N

NH2

CH2+

+ An + MDA + ABA+ An,

MDA

n K1+

NHH

2C+

NH2

NH2

N

NH2 NH

2NH

2NH

2NH2

+ H+

+ H+

Nk

N

NH2

+

CH2O+

H+

+

K1 o-, p-ABA

(n+2)-kerniges oligo-ABA (n=0, 1, ...)

+

K2

+ (n-k)-kerniges oligo-ABA

(k+2)-kerniges oligo-K2

18

+ An

NH2C6H4[NC6H4CH2]n-1NC6H5

(n+1)-kerniges oligo-ABA

3K-MDA (7 Isomere)MDA - Isomere

ABA-MDA-Kondensate


5. Die N-Methylfunktionalität entsteht in den ersten Minuten nach der Formaldehydzugabe und

bleibt im weiteren Reaktionsverlauf konstant (Abbildung 39). Das spricht für den in Kapitel

2.1.2 diskutierten Mechanismus der N-Methylierung durch die Reduktion von primären

Kondensaten mit freiem Formaldehyd (Abbildung 12): Die N-Methylierung erfolgt nur, so-

lange freier Formaldehyd im Reaktionsgemisch vorhanden ist. Die N-CH3-Gruppen, an-

fänglich verteilt auf mindestens 5 Spezies, konzentrieren sich schon nach 30 Minuten

überwiegend in Form von N-Methyl-MDA (siehe 1H-NMR÷Spektrum in Abbildung 22).

Die gemessene „stationäre“ Konzentration von N-methylierten Verbindungen (0.2 Gew.-%

des brutto-Reaktionsgemisches oder 0.7 Gew.-% des Zweikernanteils) ist mit Daten [3] zum

„minimalen erreichbaren CH3/CH2-Verhältnis“ von 0.8 Gew.-% im Reaktionsprodukt unter

vergleichbaren Reaktionsbedingungen übereinstimmend.

6. Das o-ABA wird langsamer umgelagert als das p-ABA. Außer der ABA–Komponente 6

werden alle Spezies mit den ABA-Bindungen bei steigender Säurekonzentration weniger

stabilisiert und daher schneller abgebaut (Abbildung 42).

7. Katalysatorverteilung im Reaktionssystem (Abbildung 41) wird:

- mit abnehmenden Gesamtprotonierungsgrad zunehmend zugunsten der wässrigen Pha-

se verschoben;

- bei gleich bleibendem Gesamtprotonierungsgrad in Abhängigkeit von der Reaktionszeit

(oder ABA-Umsatzgrad) zunehmend in der organikreichen Phase vorhanden.

Der Protonierungsgrad von 25% markiert eine Grenze, unterhalb der die Reaktionsmi-

schung im Prozessverlauf heterogen bleibt [18, 28]. Auch die Katalysatorverteilung verän-

dert sich radikal mit dem Überschreiten dieser Grenze; siehe Diagramme [H+]was/[H+]org

gegen ABA-Umsatzgrad, Abbildung 41.

8. Diagramm „mittlere Funktionalität – ABA-Umsatzgrad“ (Abbildung 41, unten). Die bei

der Acidolyse von oligo-ABA 18 freigesetzten Karbokationen K2 und oligo-K2 können

mit einem von drei nukleophilen Partnern weiterreagieren (Abbildung 45-A):


Abbildung 45-A. Reaktionswege der oligo-ABA-Spaltung

NH2

Nn

N

NH2

CH2+

+ An + MDA + ABA+ An,

MDA

Nk

N

NH2

+

NH2 NH

2NH

2NH

2NH2

+ H+

+ H+


+

K2

+ (n-k)-kerniges oligo-ABA

(k+2)-kerniges oligo-K2

18

NH2C6H4[NC6H4CH2]n-1NC6H5


3K-MDA (7 Isomere)MDA - Isomere

ABA-MDA-Kondensate

Da bei der Berechnung der φ die einkernige Komponente (d.h. Anilin selbst) ausgeschlos-

sen wurde (siehe oben), führen die Reaktionen von den Karbokationen K2 und oligo-K2

mit Anilin zur Absenkung der „mittleren Funktionalität“ der Mischung. Die andere Reakti-

onswege – Reaktion mit n-kernigem MDA bzw. ABA - lassen diesen Parameter unverän-

dert. Das vollständige Zusammenfallen der Kurven der niedrigen Protonierungsgrade lässt

eine triviale Schlussfolgerung zu: Bei gleichem ABA-Umsatzgrad ist die Zugänglichkeit

des Anilins für elektrophilen Angriff der Karbokationen K2 und oligo-K2 von der Säure-

konzentration unabhängig. Die starke Abweichung für den Protonierungsgrad von 25%

können wir zur Zeit nicht erklären.


9. Unter den „produktionstypischen“ Bedingungen machen die Substanzen 2,4’-, 4,4’- samt

3K-MDA gemäß dem 1H-NMR ca. 90 % der Zusammensetzung der MDA-Komponenten

aus. Im Unterschied zu den Aminobenzylanilinen zeigen die MDA-Endprodukte keine aus-

geprägte Neigung zur Bildung von Oligomeren. Der Grund dafür ist wahrscheinlich die Ab-

wesenheit von freien hochreaktiven para-Positionen in diesen Molekülen, ausgenommen

von 2,4’-MDA. Ausgehend vom 3K-MDA-Gehalt in der Gesamt-MDA-Fraktion und unter

der Annahme, dass sich keine höheren mehrkernigen MDA-Komponenten bilden, ergibt sich

nach 400 Minuten eine mittlere Funktionalität von 2.3. Das stimmt überein mit den im obi-

gen Diagramm (Abbildung 40, unten rechts) angegebenen Daten.

10. Diagramme „Inhalt an organischen Komponenten in der wasserreichen Phase und an Wasser

in der organikreichen Phase“ (Abbildung 37): Die „anomalen“ Schwankungen der Kurven

bei T = 60 ºC markieren das Zeitintervall, in der die dritte hochviskose organische Phase in

die „normale“ organische Phase übergeht und ist offensichtlich mit diesem Prozess verbun-

den. Ähnliche Schwankungen findet man auch bei den Kurven von T = 65 ºC, die jedoch

weniger ausgeprägt sind wegen der kürzeren Existenzzeit der dritter Phase bei dieser Tempe-

ratur.

86 4 Phasengleichgewichte im System An-An·HCl-H2O

4 Phasengleichgewichte im System Anilin–Anilinhydrochlorid–

Wasser

Während der primären Untersuchung des Phasenstandes im technischen System Polyaminal-

HCl-H2O (Kapitel 3.2.) wurde gezeigt, dass für die Bildung der reaktionskinetischen Modelle

der Anilin-Formaldehyd-Kondensation die detaillierten quantitativen Kenntnisse zu den Pha-

sengleichgewichten in diesem System während des gesamten Prozessablaufs bei sich verän-

dernder brutto-Zusammensetzung erforderlich sind.

Als erster Schritt, um solche zu gewinnen, wurden in dieser Arbeit die Phasengleichgewichte

im ternären System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser gemessen. Trotz der großen techni-

schen Bedeutung gibt es darüber in der Literatur bislang nur unzureichende Informationen.

Die Angaben zur Komponentenverteilung zwischen den koexistierenden flüssigen Phasen bei

T = 25 ºC findet man in [99]; zwischen der flüssigen, der festen und der Gasphase bei glei-

cher Temperatur in [100]. Die Daten zur Löslichkeit des Anilins in der wässrigen Lösung des

Anilinhydrochlorids für das Temperaturintervall 15 – 100 ºC sind in [99] angegeben.

In dieser Arbeit wurden Messungen zu Flüssig-flüssig- und Fest-flüssig-Gleichgewichten

durchgeführt.

4.1 Experimentelles

Für die Untersuchung von Flüssig-flüssig-Gleichgewichten stehen verschiedene Methoden

zur Verfügung. Die synthetische oder optische Methode hat sich für die Bestimmung der Bi-

nodalkurve als zweckmäßig erwiesen. Sie besteht aus der Trübungstitration, die in dem Ka-

pitel 4.1.3 näher erläutert wird. Zur Bestimmung der Konoden wurde eine analytische Me-

thode (die Analyse von koexistierenden Phasen) eingesetzt. Diese Methode liefert auch

Daten zur Bestimmung der Binodalkurve, ist aber wesentlich aufwendiger als die Trü-

bungstitration. Die „Karl-Fischer-Analyse“ wurde verwendet, um die Konzentration von

Wasser in den jeweiligen Phasen zu bestimmen. Eine Neutralisation mit Farbindikator im

nichtwässrigen Medium wurde für die Bestimmung des Anilinhydrochlorids verwendet.

In Vorexperimenten wurden Reproduzierbarkeit und Richtigkeit dieser Methoden untersucht.

4.1 Experimentelles 87

An

X1

X2 B

H2O

An·HCl

Abbildung 46: Prinzipieller Verlauf der Trübungstitration

Eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Varianten der synthetischen und der analy-

tischen Methoden findet man in vielen Literaturquellen; siehe, z.B. [102].

4.1.1 Synthetische Methode. Experimentelle Vorgehensweise

Bei der Titration wurde folgendermaßen vorgegangen: In einem 60-ml ummantelten Mess-

kolben, ausgestattet mit Magnetrührer, Thermometer (± 0.1 ºC), Stickstoffeinlass und Sep-

tum wurden 2,5 – 10 g Anilin vorgelegt. Dieser Messkolben (Kolben A) wird in einem

Triethylenglycolbad auf die Messtemperatur (T) erwärmt. In einem anderen Messkolben

(Kolben B) wurde eine Mischung bekannter Zusammensetzung aus Wasser und Anilin Hyd-

rochlorid vorbereitet, auf die gleiche Temperatur wie Anilin erwärmt und sein Volumen bei

dieser Temperatur gemessen.

Zum Kolben A, in dem ein geringer Stickstoffüberdruck herrscht, wurde tropfenweise unter

ständigem Rühren mit vorerwärmter Spritze die Lösung aus Wasser und Anilinhydrochlorid

aus dem Kolben B langsam zugegeben. Durch diese Zugabe verändert sich die Zusammen-

setzung im Kolben A entlang der Bilanzlinie An–B (siehe Abbildung 46). Geringe Abwei-

chungen durch die Verdampfung von Wasser im freien Volumen des Kolbens wurden


vernachlässigt. Ausgehend von reinem Anilin erreicht die Mischung die Binodalkurve im

Punkt X1. Im Experiment tritt Trübung auf. Bei weiterer Zugabe der Mischung aus dem

Messkolben B liegt das Gemisch im Kolben A in der Mischungslücke bis es im Punkt X2

wieder einphasig wurde. Eine Alternative zu dieser Vorgehensweise ist die Zugabe von rei-

nem Anilin zu einer homogenen Mischung von Anilinhydrochlorid und Wasser. Diese Me-

thode wurde in dieser Arbeit für die Ermittlung der Binodalpunkte in der Nähe der H2O-

Ecke verwendet, denn in diesem Fall würde die erste Verfahrensweise dazu führen, dass ein

großes Volumen der verdünnten Anilinhydrochlorid-Lösung zu einer kleinen Einwaage des

Anilins zudosiert würde, bevor der Punkt X2 erreicht würde. Die in solcher Weise ermittel-

ten Resultate sind weniger genau als diejenigen, die aus dem Verfahren mit „umgekehr-

ter“ Zugabereihenfolge gewonnen wurden.

Die Zusammensetzung des Gemisches im Messkolben A in jedem Moment des Titrati-

onsprozesses ist leicht aus den Angaben zu Einwaagen der Komponenten, Anfangsvolumen

und zudosiertem Volumen kalkulierbar.

4.1.2 Analytische Methode (Bestimmung der Konode)

Die Mischungen mit den gewünschten Mischverhältnissen wurden vorbereitet und für die

Gleichgewichtseinstellung einige Stunde in dichtgeschlossenen 15-ml Probengläsern ther-

mostatisiert (nach [100], wurde das Gleichgewicht in dieser System nach 3 Stunden er-

reicht.) Pro Versuchstemperatur wurden bis zu 10 Mischungen unterschiedlicher Zusammen-

setzungen (je ca. 10 g) angesetzt. Die Komponentenverhältnisse wurden so gewählt, dass bei

anschließender Phasentrennung zwei Phasen in möglichst großer Menge anfielen, um aus-

reichende Probenmenge für die Konzentrationsmessungen bereitzustellen. Während des

Gleichgewichteinstellens wurden sie mehrfach durch Schütteln durchgemischt, um eine bes-

sere und schnellere Verteilung der Komponenten in alle Phasen zu erzielen. Die Zusammen-

setzungen mit hohem Inhalt an Hydrochlorid wurden nur mit geringer Intensität gemischt, da

das System starke Neigung zur Emulsionsbildung aufwies.

Nachdem die Mischungen das Gleichgewicht erreicht hatten, wurden die Proben der koe-

xistierenden Phasen genommen und analysiert. Wenn beide Phasen flüssig waren, erfolgte


die Probennahme unmittelbar aus dem Probenglas mit einer vorerwärmten Spritze durch das

Septum ohne vorausgehende Phasentrennung. Dabei wurde die Spritze zunächst 3-Mal mit

der abgezogenen Phase vorgespült, da bei der Entnahme der Unterphase eine kleine Menge

der Oberphase beim Durchstechen der Grenzschicht in die Spritze hineindringt.

Beim Auftreten einer Festphase wurde das Reaktionsgemisch auf eine temperierte Nutsche

umgekippt, die abgetrennten Kristalle auf der Fritte ausgepresst und zerrieben. Ein Filterku-

chen wurde anschließend mit einer kleinen Menge Ethanol gewaschen, um eine Restflüs-

sigkeit von der Kristalloberfläche vollständig zu entfernen. Die Festphase wurde weiter im

Exsikkator im Vakuum (20 – 40 mbar) getrocknet und analysiert.

4.1.3 Bestimmung des Wassergehaltes

Der Wassergehalt in den Proben wurde mittels Karl-Fischer-Titration gemessen. Bei der

Untersuchung des Flüssig-flüssig Gleichgewichts wurden die Einwagen von 100 bis 150 mg

der organischreichen Phase und 10 bis 20 mg der wasserreichen Phase mit einer vorer-

wärmten Spritze eingezogen. Bei der Untersuchung des Fest-flüssig Gleichgewichtes wur-

den für die flüssige Phase 40 bis 100 mg Einwaagen benützt und für die feste Phase wurden

400 bis 1000 mg unter Schutzgas (N2) eingewogen. Die flüssigen Lösungen wurden vor der

Probenentnahme bis zur Homogenisierung erwärmt. In allen Fällen wurden die entnomme-

nen Einwaagen direkt ins Titriergefäß (Vorlage – Methanol) eingetragen. Die Probenmengen

entsprachen dem optimalen Verbrauch der Titerlösung, der im Bereich von 0,5 bis 2 ml

liegt, um eine konsequente Analyse durchzuführen.

4.1.4 Bestimmung des Säuregehaltes

Für die Bestimmung des Säuregehalts bei der Untersuchung des Flüssig-flüssig Gleichge-

wichts wurden 500 bis 2000 mg der organischen Phase und 500 bis 1000 mg der wässri-

gen Phase in einem Erlenmeyerkolben eingewogen und für die Homogenisierung mit 150 ml

Ethanol verdünnt. Bei der Untersuchung des Fest-flüssig Gleichgewichts wurden ca. 300 bis

700 mg der flüssigen Phase und 500 bis 700 mg der festen Phase in einem Erlenmeyerkol-

ben eingewogen und gleichfalls mit 150 ml Ethanol verdünnt.


In beiden Fällen wurde eine ausreichende Menge Indikator zugetropft und die erhaltenen

homogenen Lösungen wurden mit 0,1 M NaOH titriert.

Da das neutrale Anilin Molekül eine schwache Base ist (pKS = ca. 4.5), wurde für die korrek-

te Bestimmung des Titrationsendes eine Lösung von Thymolphtalein in EtOH als Indikator

verwendet, da sein Umschaltspunkt im Bereich von 9.3 bis 10.5 liegt. Außerdem weist es

einen deutlichen, leicht fixierbaren Farbübergang (farblos zu dunkelblau) auf.

4.1.5 Messgenauigkeit

Die Richtigkeit der eingesetzten Analytik wurde in speziellen Testmessungen geprüft. Dafür

wurden zwei Modellmischungen (Mischung 1 und Mischung 2) mit Wassergehalten

von jeweils 24 Gew.-% und 33 Gew.-%, und mit Anilinhydrochloridgehalt von jeweils

10.6 Gew.-% und 19.8 Gew.-% vorbereitet und analysiert.

Karl-Fischer-Titration: Da bei der direkten Probeneinführung ins Karl-Fischer Gerät ein

wesentlicher Messfehler entstehen kann, dem die Phasenspaltung in der Spritze (insbesonde-

re Anilinhydrochlorid Ausfall) bei Erkaltung zu Grunde liegt, wurde auch das Verfahren mit

Probenhomogenisierung erprobt, indem eine Probe in einer um den Faktor 10 größeren

Menge von DMSO gelöst wird. DMSO wurde als Lösungsmittel gewählt, weil es Anilin,

Wasser und Anilinhydrochlorid im breiten Konzentrationsbereich löst. Ebenfalls wurden

zwei reine Probemengen (ohne DMSO Verdünnung) aus den Mischungen 1 und 2 analysiert.

Der systematische Fehler (die Differenz zwischen dem berechneten Wert und dem Ver-

suchswert) betrug bei den Messungen mit DMSO-Homogenisierung ca. 10 rel.% und ist

größer als der systematische Fehler bei den Messungen mit direkter Probeneinführung –

1.5 rel.% (der somit innerhalb der Standardabweichung des Messverfahrens liegt). Die direk-

te Probeneinführung ohne DMSO Verdünnung liefert folglich genauere Ergebnisse als die

Titration der verdünnten Probe und dieses Ergebnis ist in Hinsicht der Genauigkeit der Karl-

Fischer Titration zufriedenstellend. Ein wahrscheinlicher Grund für die Ungenauigkeit bei

der Analyse mit DMSO-homogenisieten Proben ist seine Hydrophilität. Der Wassergehalt

von handelsüblichem DMSO liegt typisch bei 0.2 Gew.-% (Merck, „zur Analyse“), was zum

positiven systematischen Fehler der Wasserbestimmung von führt.

Bei einem Quotienten in diesem Ausdruck von ca. 10 beträgt der systematischen Fehler, der

durch dem Wassergehalt im angewandten DMSO verursacht wird, ca. 2 Gew.-% und da-

2

DMSO

H ODMSO

Probe

( )mc

m⋅


mit ca. 8 rel.% für die erste und ca. 6 rel.% für die zweite Probe. Die Säuretitration zeigt

auch eine zufrieden-stellende Richtigkeit mit einer systematischen positiven Abweichung

von 7 rel.%.

Ein relativer Standardfehler betrug für die Messungen mit der DMSO-Homogenisierung

5 rel.% (n=3), und 2 rel.% (n=3) für die Messungen mit direkter Probeneinführung.

Folglich liefert Messverfahren mit direkter Probeneinführung richtigere und reproduzierbare-

re Resultate.

Säuretitration: Die statistische Auswertung der Säuretitrationsmethode ergab eine positive

Abweichung von 7 rel.% und einen Standardfehler von 6 rel.%, die als zufrieden stellend

für diese Arbeit akzeptiert wurden.


Abbildung 47 Salzverteilung im Flüssig-flüssig-Gleichgewicht im System An-An·HCl-H2O

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 0,5 1 1,5 2

T =60OC

T =80OC

T =90OC

cAn·HCl /mol·kg-1 was

T =40OC

c An·

HC

l / c

An·

HC

l

org

was

4.2 Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse der Messungen zum Phasenverhalten des ternären Systems Anilin-Wasser-

Anilinhydrochlorid bei der Temperaturen 40 ºC, 60 ºC, 80 ºC und 90 ºC sind im Anhang

A in Form von Tabellen und Diagrammen dargestellt.

Schon bei einer Temperatur von 40 ºC ist nur ein geringer Prozentsatz des Anilin-

hydrochlorids notwendig, um vollständige Mischbarkeit des betrachteten ternären Systems

zu erzeugen. Dieser Wert fällt bei Temperatursteigerung, so dass die Flüssig-flüssig-

Mischlücke im Phasendiagramm immer kleineren Bereich annimmt (Anhang, Abbildungen

A1 – A4).

Die Messungen der Flüssig-flüssig Gleichgewichte wurden im Konzentrationsbereich des

Anilinhydrochlorids durchgeführt, der typisch für die Produktionssynthese ist. Es wurde he-

rausgefunden, dass das Salz stets zugunsten der wässrigen Phase verteilt ist. Der Vertei-

lungsquotient lag im Intervall 1.3 – 2.5, wies geringe Senkung während der Temperatur-

steigerung auf, und nahte sich dem Wert 1 während der Steigerung der Salzkonzentration

(vgl. Abbildung 47).

4.2 Ergebnisse und Diskussion 93

Die niedrige Genauigkeit der eingesetzten Analytik ermöglicht es leider nicht, zuverlässige

quantitative Aussagen bezüglich der Salzverteilung zu machen. Jedoch ist das qualitative

Bild klar, obwohl die Datenstreuung im Diagramm der Abbildung 47 groß ist. Einen ähnli-

chen Charakter der Salzverteilung in diesem System bei 25 ºC haben im Jahr 1911 Sidg-

wick at. el. [99] beobachtet. In ihrer Untersuchung führte die Abnahme der An·HCl–

Normalität in wässriger Phase unter ca. 0.3 mol/kg zur erheblichen Steigerung des Vertei-

lungskoeffizienten, der bei der Salzkonzentration 0.1 mol/kg den Wert 19 erreichte.

Die feste Phase besteht lediglich aus Anilinhydrochlorid. Die Analyse der kristallinischen

Ausfällungen der vier Zusammensetzungen, die eng zur Binodalkurve lagen, wies keine

Bildung von einer Mischphase auf. Das entspricht den Literaturdaten [101].

94 5 Untersuchung der N-Methylierung an Modellsystem

Tabelle 3: Physikalisch-chemische Eigenschaften von Anilin und TMA

NH2

TMA (Mesidin)

Anilin TMA

pKs (H2O, 25ºC) 4.64 [88] 4.38 [92]

Sdp (1bar) 184 ºC 228 ºC

Schmp. -5 ºC -5 ºC

µ (20 ºC, in C6H6) 1.5 D [94] 1.55 D [93]

5 Untersuchung der N-Methylierung an Modellsystem

Die Entwicklung eines reaktionskinetischen Modells kann sich nur auf detaillierte Daten zum

Mechanismus und zur Kinetik der Teilreaktionen stützen. In Rahmen dieser Arbeit

wurde die N-Methylierung untersucht. Die Rolle dieser Nebenreaktion und die vorhandene

Information zu ihrem Mechanismus wurden in Kapitel 2.1.2 dargestellt.

5.1 Die Auswahl des Modellsubstrats

Bei der sauren Umsetzung von An mit Fa tritt die „PLÖCHL-Methylierung“ nur als eine der

konkurrierenden parallellaufenden Reaktionen auf. Unter den Produktionsbedingungen liegt

die Konzentration der N-methylierten Produkte zwischen 1 und 3 Gew.-% [5, 6, 7]. Wie

bereits oben erwähnt, reagiert zuerst gebildetes N-Methylanilin schnell (schneller als Anilin

selbst) weiter zu den höherkernigen Kondensaten [3].

Deshalb sind quantitative kinetische Untersuchungen zur N-Methylierung auf der Basis die-

ses Reaktionssystems sehr schwer erfüllbar. Eine mögliche Lösung ist der Ersatz des Anilins

gegen ein anderes aromatisches Amin, das nicht so vielseitige Reaktionsmöglichkeiten wie

Anilin aufweist. Die Voraussetzung dafür ist aber, dass die ermittelten kinetischen Daten

auf das „originale“ An-Fa-System übertragbar sein müssen. Als ein solches Amin wurde

2,4,6-Trimethylanilin (TMA) ausgewählt. Die CH3-Substituenten in o- und p-Positionen zur

NH2-Gruppe blockieren die elektrophilen Reaktionen im aromatischen Kern, dem Hauptre-

aktionsweg im Falle des Anilins. Die ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von

An und TMA (insb. der pKs-Wert und das Dipolmoment, siehe Tabelle 3) bedingen eine

ähnliche Reaktivität der NH2-Gruppen in diesen Verbindungen bei einer sterisch unbehin-

derten Reaktion mit dem kleinen Fa-Molekül. Die Forderung einer adequäten Übertragung

der kinetischen Daten auf das An-Fa-System ist damit erfüllt.

5.1 Die Auswahl des Modellsubstrats 95

Abbildung 48: Grundzüge der säureinduzierten Reaktionen von TMA mit Fa

5.2 Umwandlungen in TMA-Fa-HCl-System

Sichere Daten zur Stöchiometrie von allen im System auftretenden Umwandlungen sind die

Voraussetzung für eine korrekte kinetische Untersuchung. Deswegen wurden zuerst Experi-

mente zur Identifikation der bei der säureinduzierten Reaktion zwischen TMA und Fa ge-

bildeten Produkte durchgeführt.

Experimentelles: Ein Äquivalent TMA wurde in Anwesenheit von einen Viertel Äquiva-

lent HCl mit einem halben Äquivalent Fa-Lösung versetzt und einige Stunden lang bei

T = 70 ºC erwärmt (Experiment 1 im Experimentellem Teil). Die Bildung der Verbindun-

gen 28 – 31 wurde mittels 13C- und 1H-NMR-Spektroskopie festgestellt und auf dieser

Grundlage ein Reaktionsnetz als „erste Annäherung“ aufgestellt (Abbildung 48):

H+

N

O

N

O

N(CH3)

2NHCH

3

+

HCOOH+

HCOOH+

NNH2

(CH2O)

NHCH2OH

HCOOH-

+ (CH2O)

- H2O

26 (TMA) 32 27

28 (M-TMA) 29 (M 2-TMA)

30 (F-TMA) 31 (FM-TMA)


N

R1R1

R2

12

R1 = Me, Et, i-Pr R2 = H, 4-Br, 3-NO2

Die Zuordnung der in den NMR-Spektren beobachteten Signale wurde durch alternative

Synthese der Verbindungen 27 – 31 gesichert.

Diskussion: Die Verbindungen 28 – 31 sind Folgeprodukte der Plöchl-Methylierung und

bilden bei einem TMA-Umsatz bis zu 50 %, laut NMR und chemischer Analyse, zusam-

men mit dem identifizierbaren Zwischenprodukt 27 mindestens 90 % der Zusammenset-

zung der Produktmasse.

Der Anteil der anderen in geringem Maße gebildeten Reaktionsprodukte beträgt max.

10 Mol.-% bezogen auf das eingesetzte TMA.

Das Karbinolanilin 32, das erste Addukt der sauren Umsetzung von substituierten Anilinen

mit Formaldehyd [40], wurde nicht direkt sondern nur in seiner dehydratisierten Form als

Schiffsche Base, dem Methylen-TMA 27, gefunden. Diese Tatsache ist von großer Bedeu-

tung für die weiteren Experimente und wird deswegen ausführlicher diskutiert.

Die Bildung von Karbinolanilinen und ihrer dehydratisierten Formen, der Schiffschen Basen,

ist in der Literatur bei der säureinduzierten An-Fa–Umsetzung als Zwischenstufe allge-

mein konsensfähig postuliert; siehe z.B. [3, 39, 40] (Eine andere Meinung vertreten Auto-

ren [41, 42, 43]). Diese Verbindungen wurden bislang aber noch niemals unter diesen Be-

dingungen spektroskopisch oder auf einem anderen Weg analytisch nachgewiesen. Zum

ersten Mal wurde das Karbinolanilin 6 in dieser Arbeit NMR-spektroskopisch identifiziert

(Kapitel 3.1), jedoch nur in Abwesenheit von Säure.

Guimanini et al. berichteten im Jahr 1988 [45] über die Synthese von einigen 2,6-substitu-

ierten N-Methylenanilinen 12 und ihre Existenz unter speziellen trockenen Bedingungen in

Lösung in der Form eines Monomeren.

Diese Verbindungen spalten mit Wasser wieder Formaldehyd zurück.

5.3 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse 97

Das bei uns identifizierte und als Reinsubstanz charakterisierte N-Methylen-TMA 27 zeigt

hingegen bei Raumtemperatur keine Neigung zur Hydrolyse.

Das primäre Reaktionsschema in Abbildung 48, obwohl wegen der möglichen gegenseiti-

gen Umwandlungen der Addukte 27 – 31 und der Bildung von weiteren Zwischenproduk-

ten wahrscheinlich unvollständig und vereinfacht, zeigt eine wichtige Charakteristik des

TMA-Fa-HCl-Reaktionssystems auf. Das ist die Abwesenheit von dominanten Kondensati-

ons- und Substitutionsreaktionen, die die relativ langsam laufende PLÖCHL-Methylierung

überdecken könnten.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die im TMA-Fa-HCl-System stattfindenden

Umwandlungen die Reaktion der N-Methylierung im „originalen“ An-Fa-HCl-System

adäquat modellieren. Die wesentlich niedrigere Komplexität des Reaktionsnetzes ermög-

licht eine saubere Untersuchung dieses Prozesses. Die ermittelten Ergebnisse sind auf das

An-Fa-HCl-System übertragbar.

5.3 Optimierung der NMR-spektroskopischen Analyse

Das ziemlich einfache Reaktionsnetz ermöglicht es, die Verfolgung des NMR-Experiments

auf die 1H-Spektroskopie zu beschränken. Der einzige Vorteil der 13C-Spektroskopie, die

wesentlich bessere Signalauflösung der strukturell ähnlichen Analyte, spielt in diesem Fall

keine entscheidende Rolle, weil die Signale von allen Reaktionskomponenten auch in den 1H-NMR–Spektren gut genug aufgelöst sind.

1H-NMR in Röhrchen: Die Probenpräparation und die Akquisitionsparameter waren völlig

analog derjenigen des An-Fa-HCl-Systems. Ein typisches Spektrum mit Signalzuordnung

ist in Abbildung 49 dargestellt. Auffallend sind charakteristische, nicht durch andere Signale

überlagerte Singulette der N-CH3 – Gruppen von M-TMA 28 und M2-TMA 29, ebenso

wie zwei Dublette bei 7.72 ppm und 7.37 ppm, die zum Men-TMA 27 zugeordnet wer-

den (Abbildung 49). Da die 1H-Spektren quantifizierbar sind, lassen sich somit die Kon-

zentrationen von 28 und 29 ebenso wie der formylierten Derivate 30 und 31


Abbildung 49: Typisches 1H-NMR–„Röhrchen“-Spektrum in CDCl3. Einsatzmolverhältnis: TMA:FA:HCl:H2O = 10:1:1:5; T = 70 ºC, t = 50 min

(Singulette bei 7.9 – 8.3 ppm) korrekt vermessen. Unter bestimmten Voraussetzungen, wor-

über noch gesprochen wird, gilt das auch für Men-TMA 27.

N NHCH3

N(CH3)2 N O N O

27 28 – 29 – 30 – 31 –

TMA

CH2Cl2

ppm (f1)0.05.010.0

7.908.008.108.208.308.408.50

ppm (f1)7.207.307.407.507.607.707.807.90

ppm (f1)2.0002.0502.1002.1502.2002.2502.300

ppm (f1)2.602.702.802.903.003.10

10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

δ /ppm

2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 2.05 2.00

δ /ppm 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70

δ /ppm

7.9 7.8 7.7 7.6 7.5 7.4 7.3 7.2 7.1

8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 8.0 7.9 7.8


Abbildung 50: 1H-NMR. Oben – Online-Flow Experiment; unten – „Röhrchen“ Experiment Anfangsbedingungen: TMA:FA:HCl:H2O = 10:1:1:5; T = 70 ºC, t = 60 min

1H-NMR-Online – Messungen: Die Experimentdurchführung unterscheidet sich nicht

von der Beschreibung in Kapitel 3.1, Abbildung 27 (ohne Phasentrennungskreis). Die 1H-NMR-Reihenmessungen wurden unverzüglich nach dem Starten der Reaktion begonnen

und sechs Stunden lang bei kontinuierlichem Durchfluss gemessen. Im ersten Online-

Experiment wurden gleichzeitig Proben für „Röhrchen“-Messungen entnommen. Der Ver-

gleich der jeweiligen Spektren lässt weitere Schlussfolgerungen zu bezüglich ihrer Überein-

stimmung und Aussagekraft. Ein solcher Spektrenvergleich zum Zeitpunkt t = 60 Min wird

in Abbildung 50 gezeigt:

0.01.02.03.04.05.06.07.0

2.5002.5505.506.00

2.45 2.65 6.00 5.50

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

δ /ppm

1.02.03.04.05.06.07.08.09.0

2.602.702.802.90

7.508.00

δ /ppm

9.0 8.0 7.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

8.00 7.50 7.40

2.9 2.8 2.7 2.6


ΑΑΑΑbbildung 51: 51: 51: 51: Online-Flow Reihespektren. Experimentbedingungen siehe in Abbildung 50. – M-TMA; – M2-TMA

Zwei scharfe N-CH3–Singulette von M-TMA und M2-TMA bei 2.72 ppm und 2.78 ppm

im „Röhrchen“ Spektrum lassen sich auch zuverlässig in Online–Flow–Spektrum identifi-

zieren und quantifizieren. Schwieriger ist die Identifizierung der N=CH2–Protonen. Wäh-

rend ihre Signale in „Röhrchen“-Spektra sich aus zwei charakteristischen Dubletten (7.37

und 7.73 ppm) zusammensetzen, erscheinen die in Online–Flow–Spektra als eine breite Re-

sonanz, die vor den aromatischen Protonen liegt. Diese Zuordnung wurde in speziellen Ver-

suchen zu den Umwandlungen von Men-TMA in säurehaltigem CDCl3 nachgewiesen (in

Rahmen dieser Arbeit nicht betrachtet). Die Konzentrationsmessung ergibt vergleichbare

Resultate für die N(CH3), N(CH3)2 – Gruppen und deutlichere Abweichungen für die

N=CH2–Protonen, was wahrscheinlich auf den großen Fehler bei der Integration von breiten

Signalen zurückzuführen ist.

Interessant ist die weitere Signaldynamik in Online-Flow-Spektrum (Abbildung 51):

Die N=CH2–Resonanz wird immer niedriger und breiter (linke Reihe), überlagert sich

stark mit aromatischen Protonen, so das ab t = 180 Min keine Chance mehr für eine Auflö-

5.906.006.106.206.30

13C – Satell.

6.30 6.20 6.10 6.00 5.90 2.4002.4502.5002.5502.6002.650

20 min

10 min

360 min

30 min

50 min

80 min

120 min

180 min

240 min

300 min

δ /ppm 2.65 2.60 2.55 2.50 2.45 2.40


ΑΑΑΑbbildung 52: 52: 52: 52: 1H-NMR-Online-Flow reihe Spektra; N-CH3–Bereich. Experiment in wassereichem Medium. Einsatz: TMA:FA:HCl:H2O = 1:10:3:100 (siehe auch Tab.5, Exp.80)

sung und eine korrekte Integration besteht. Noch spannender entwickeln sich die Ereignisse

im N-CH3 –Bereich (rechte Reihe). Die Signale von N(CH3) und N(CH3)2 –Gruppen nä-

hern sich visuell und fallen schließlich zusammen (t = 300 Min). Ein sorgfältiges Ansehen

enthüllt aber anderes: die beiden Signale driften in der Richtung des starken Feldes, aber der

Peak von M-TMA driftet schneller, so dass er beim Ende des „Wettrennens“ (t = 360 Min)

den M2-TMA nicht nur eingeholt sondern sogar überholt hat. Diese Signalmigration ist

vermutlich die eine Folge der pH-Änderung des Reaktionsmediums im Prozessverlauf und

führt dazu, dass schon ab t = 180 Min eine separate Integration praktisch unmöglich ist.

Die in Abbildung 50 angegebenen Experimentbedingungen wurden in Kapitel 3.1 als „Un-

tersuchungsfeld A, anilinreiche Matrix“ gekennzeichnet, in Unterschied zur „wasserreichen“.

Für letzten Fall sind nicht nur hohe Wasser-, sondern auch hohe Formaldehyd- und Säure-

konzentrationen charakteristisch. Da die Acidität im Reaktionsverlauf stabil und hoch bleibt,

zeigen die Signale in den Online-1H-NMR – Spektren keine Neigung zur Positionsänderung.

Die schmalen, gut aufgelösten Resonanzen der N(CH3), N(CH3)CHO und N(CH3)2–Grup-

pen (Abbildung 52) ermöglichen ein zuverlässiges Quantifizieren der Reaktionsprodukte.

2.202.302.402.502.602.70 2.70 2.50 2.30 2.10

0 min

40 min

570 min

180 min

390 min

750 min

990 min

1360 min

CH3OH

N(CH3)2

N(CH3)

N(CH3)CHO

δ /ppm


Weder die Messung im „Röhrchen“ noch die Online-Spektren fixieren die N-CH2-OH–

Peaks des Karbinolanilins 32.

Die quantitative Auswertung erfolgt durch Intensitätsvergleich mit dem Signal der Ar-CH3–

Protonen, deren Konzentration im Reaktionsablauf konstant bleibt. Alternativ wurde auch

versucht, in den „Röhrchen“-Experimenten gegen einen zugefügten inneren Standard zu

quantifizieren (CH2Cl2 ergibt Singulette im „sauberen“ Bereich bei 5.32 ppm) oder gegen

das ERETIC-Signal [91, 112] in den Online–Flow–Experimenten. Der Vorteil des ersten

Verfahrens besteht darin, dass hier auf Grund des in der Probe selbst vorhandenen inneren

Standards keine Einwaagen erforderlich sind. Der ziemlich breite Resonanzbereich der

Ar-CH3–Protonen (2.05 – 2.25 ppm am Reaktionsanfang, mit der Tendenz zur Verbreiterung)

mindert jedoch die Genauigkeit der Messungen wegen der Störungen der Basislinie.

Schlussfolgerung: Beide Techniken liefern übereinstimmende Ergebnisse. Das „Röhr-

chen“ – Verfahren ergibt detailliertere und zuverlässigere Daten in den Experimenten im

„organikreichen Medium“. Diese Methode wurde deswegen als Hauptmethode für die kineti-

schen Messungen unter diesen Bedingungen ausgewählt. In den Experimenten im „wasser-

reichen Medium“ ist die Aussagekraft von Online–Flow– und “Röhrchen“-Verfahren

gleichwertig7). Die „Online“–Technik, die wesentlich weniger aufwendig ist und automati-

sche Messungen während der langen Reaktionszeit ermöglicht, wurde als Hauptmethode für

die Messungen in wasserreichem Medium ausgewählt. In den Experimenten im organikrei-

chen Medium ist dieses Verfahren nur für die Beobachtung der Dynamik der brutto-N-CH3-

Funktionalität geeignet.

7) Das Quantifizieren von Men-TMA 27 ist von geringerer Bedeutung in den Experimenten im was-

serreichen Medium.

5.4 Experimentelle Untersuchungen 103

NNH2

(CH2O)

NH

+

H+

+ +

26 27

- H2O

K3

;

(XXIII)

5.4 Experimentelle Untersuchungen

5.4.1 Bestimmung der brutto-Formaldehyd 8) –-Konzentration

Die Extraktions- (oder „Röhrchen-“) NMR-Messungen ergeben nur die Konzentration der

Schiffschen Base 27 im Reaktionsgemisch. Der freie Formaldehyd bleibt großenteils in der

alkalischen wässrigen Phase. Deshalb kann seine Menge mit diesem Verfahren nicht gemes-

sen werden.

Für die kinetischen Berechnungen braucht man Daten zur Konzentration von brutto-

Formaldehyd (bezeichnet in dieser Arbeit als FA) in der Reaktionsmischung. In dieser Hin-

sicht ist die Frage von großer Bedeutung, in welchem Maß das mit Chloroform extrahierbare

und leichtmessbare Men-TMA 27 die Konzentration von FA widerspiegelt. Diese Frage

kann auch folgenderweise formuliert werden:

1. Wo ist die Lage des Gleichgewichts (XXIII)?

2. Wie schnell stellt sich das Gleichgewicht (XXIII) ein?

Ringel et al. [3] haben die reversible Bildung von protoniertem Methylenanilin (K3 in

Gleichung (XXIII)) als „vorgelagertes Gleichgewicht“ angenommen, allerdings ohne Nach-

weis dass es sich in diesem Fall das Gleichgewicht wirklich erreicht. Auch fehlen irgendwel-

che Daten zum Lage dieses Gleichgewichts

Experimentelles: Es wurden spezielle Messungen vorgenommen, um das Verhältnis des

extrahierbaren Men-TMA 27 (und seiner protonierten Form 27-H+) zum im Reaktionsge-

8) Als brutto-Formaldehyd definiert man nach [67, 69] die Summe von freiem Formaldehyd-

Oligomeren, Schiffscher Base und anderer labiler Intermediate, die bei herkömmlicher Na2SO3–Titration als Formaldehyd titrierbar sind.


Tabelle 4: Extraktion von Fa aus wässrigen Lösungen in Anwesenheit von TMA

*) Mit Berücksichtigung der Formaldehydverbrauch in der laufenden PLÖCHL-Methylierung

misch vorhandenen FA in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen festzustellen. Der

wässrige Formaldehyd wurde mit 10 – 15 Äquiv. TMA versetzt und einige Minuten unter

verschiedenen Bedingungen gerührt. Danach wurde unverzüglich gekühlt, alkalisiert und mit

CDCl3 extrahiert. Das 1H-NMR unter Zugabe von CH2Cl2 als inneren Standard ergibt die

Menge an Men-TMA und TMA in den Extrakten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dar-

gestellt.

Reaktionsbedingungen Men-TMA im Ext-rakt im Verhältnis zum FA

TMA in Extrakt zum Verhältnis zumangeset-ten .TMA

1 TMA:FA:NaOH:H2O = 10:1:1:150 T = 20 ºC, t = 10 Min

7 % qualitativ

2 TMA:FA:NaOH:H2O = 10:1:1:150 T = 70 ºC, t = 10 Min

10 % qualitativ

3 TMA:FA:H2O = 10:1:50 T = 70 ºC, t = 10 Min

55 % qualitativ

4 TMA:FA:HCl:H2O = 10:1:1:50 T = 70 ºC, t = 10 Min

67 % *) qualitativ

5 TMA:FA:H2O = 10:1:50 T = 70 ºC, t = 20 Min

70 % qualitativ

6 TMA:FA:HCl:H2O = 15:1:0.5:5 T = 70 ºC, t = 5 Min

85 % qualitativ

7 TMA:FA:HCl:H2O = 15:1:0.5:5 T = 70 ºC, t = 15 Min

86 % *) qualitativ

8 TMA:FA:HCl:H2O = 11:1:9:150 T = 70 ºC, t = 10 Min

43 % qualitativ

Die Zeile 6, 7 gehören zu einem Experiment, in dem die Gleichgewichtseinstellung im

TMA-FA-System bei erhöhter Temperatur unter mäßig sauren Bedingungen mehr im Detail

untersucht wurde. Die Ergebnisse sind in Abbildung 53 gezeigt.


ΑΑΑΑbbildung 53: 53: 53: 53: Anteil des Men-TMA 27 im CDCl3-Extrakt im Verhältnis zum eingesätz-ten FA. Einsatzmolverhältnis: TMA:FA:HCl:H2O = 15:1:0.5:5, T = 70 ºC

Diskussion:

1. In TMA als Lösungsmittel bildet Fa fast quantitativ die Schiffsche Base – Men-TMA

27272727 (Reaktionsgleichung (XXIII)).

Diese Aussage stützt sich nicht nur auf Daten von Tabelle 4, sondern auch auf die Re-

sultate der präparativen Experimente zur Herstellung von N-Methylen-TMA in TMA-

Lösung; siehe Anhang B, S. 170).

2. In der Zeitskala der PLÖCHL-Methylierung (t1/2 im Stundenbereich) kann diese rever-

sible Reaktion bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart von Säure als ein schnell er-

reichbarer Gleichgewichtszustand betrachtet werden (vgl. Abbildung 53 mit den Expe-

rimenten 1 – 5 in Tabelle 4).

3. Eine erhöhte Säurekonzentration verhindert die Anlagerung von Formaldehyd an das

TMA, verschiebt also dieses Gleichgewicht nach links, wenn man unter TMA und

Men-TMA ihre brutto-Konzentrationen (d.h. protonierte und freie Spezies) versteht

(Tabelle 4, Exp.8).

4. Bei einer TMA-Konzentration von mindestens 5 – 7 mol/l und in Anwesenheit

katalytischer Säuremengen lässt sich der FA mittels des „Extraktions-

verfahren“ als Men-TMA quantifizieren. Die dabei entstandene negative Abwei-

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Zeit /min

Mol

ante

il T

MA

·10

0%


chung von ca. 15 rel.% ist systematisch und, in Hinsicht auf die Genauigkeit der NMR-

Messungen, akzeptabel.

5. Bei der Durchführung der kinetischen Experimente kann ein wässriger Fa durch eine

Lösung von Men-TMA in TMA im Reaktionsansatz ersetzt werden. Die Adäquanz

dieses Ersatzes ist auch experimentell nachgewiesen.

Abrams und Kallen [31] haben die Gleichgewichtskonstanten für die Bildung der Karbino-

lamine aus den substituierten Anilinen und Formaldehyd in hochverdünnten gepufferten

wässrigen Lösung bei T = 25 ºC mittels UV-Spektroskopie gemessen (obwohl entspre-

chende Karbinolaniline als Substanzen zur Zeit noch nicht identifiziert sind). Typische Werte

von ca. 20 l/mol wurden gefunden, die nur gering von der Natur der Substituenten abhängig

waren. Ein Versuch, diese Daten für die Abschätzung des Anlagerungsgrades von Formal-

dehyd auf TMA unter unseren Bedingungen (siehe Tabelle 4, Exp.7) zu verwenden, ergab

einen unwahrscheinlich hohen Wert von über 99 %, was unseren Ergebnissen widerspricht.

Die bei Atherton und Brown [32] angegebenen kinetischen Konstanten für die Bildung des

Karbinolanilins unter wasserreichen Bedingungen können leider auch nicht für die grobe Ab-

schätzungen des anilinreichen Systems verwendet werden, da die für die Berechnung der

[H+] notwendigen thermodynamischen Daten (KS, ho) für das Anilin-Medium oder für an-

dere Amine in der Literatur fehlen.

5.4.2 Auswahl der Reaktionsbedingungen

Im zweiphasigen System An-Fa-HCl-H2O läuft die PLÖCHL-Methylierung hauptsächlich

in der organischen Phase ab. Typisch für diese Phase ist die niedrige Säurekonzentration,

die niedrige Konzentration an Formaldehyd-Hydraten (auch wegen der Bildung von labilen

ABA-Oligomeren) und die hohe Konzentration an freiem Anilin (siehe Abbildungen 40, 41).

Deswegen hat unsere Untersuchung erstrangig auf ein ähnliches TMA-reiches System ab-

gezielt. Außerdem schafft die Verwendung vom TMA als Lösungsmittel Reaktionsbedin-

gungen einer pseudo-nullter Ordnung bezüglich der Konzentration des Amins sowie die

Voraussetzung für die Bestimmung des brutto-Formaldehyd–Gehalts durch die Messung

der Men-TMA–Konzentration mittels 1H-NMR-Spektroskopie (Kap. 5.4.1). Das verein-

facht die Auswertung der ermittelten Daten.


Weniger detailliert wurde die Reaktionskinetik im wasserreichen Medium untersucht. Um

einen unvermeidlichen Fehler, den die autokatalytische Wirkung der entstehenden Ameisen-

säure auslöst, zu nivellieren, wurden die kinetischen Experimente bei ziemlich hohen Salz-

säurekonzentrationen (1.3 – 2.6 M) durchgeführt, was ein 5 – 10-facher Überschuss von HCl

zur gebildeten Ameisensäure gewährleistet. Die unzureichende Löslichkeit des TMA-

Hydrochlorids im Wasser bei diesen niedrigen pH-Werten verursachte einen Übergang zu

Experimenten unter Reaktionsbedingungen pseudo-nullter Ordnung bezüglich der FA-

Konzentration. Diese betrug 2.5 – 5.6 M, was in der betrachteten Reaktionszeit mindestens

einen 10-fachen Überschuss zum abreagierenden FA gewährleistete.

Fast alle Experimente wurden bei einer Temperatur von 70 ºC durchgeführt, die typisch für

die Anfangsphase im Produktionsprozess ist. Abweichende Temperaturen wurden nur in

den Experimenten zur Bestimmung der Aktivierungsenergie verwendet.

5.4.3 Experimentelles Vorgehen

Generell ist die Durchführung der „Röhrchen“- und „Online“-Experimente sehr ähnlich. Ein

80-ml ummantelter Reaktor wurde mit Rührer, Thermometer (±0.2 ºC), Rückflusskühler,

Stickstoffeinlass und Septum für Probenentnahmen ausgestattet. Der vorgelegte Reaktions-

ansatz (außer der FA-Komponente9)) wurde zuerst bei Raumtemperatur inertisiert, indem er

unter Rühren dreimal konsequent mit N2 durchgeblasen und unter Vakuum gesetzt wurde,

und danach auf Reaktionstemperatur gebracht wurde. Die ebenfalls inertisierte und auf die

Reaktionstemperatur vorerwärmte FA-Komponente9) wurde unter heftigem Rühren10) durch

das Septum innerhalb von 30 s eingespritzt. Um Luftkontakt auszuschließen, herrschte im

Kolben stets ein geringer N2-Überdruck. Beim „Röhrchen“-Analyseverfahren wurden die

Proben aus dem Reaktionsgemisch in regelmäßigen Zeitabständen mit einer Spritze durch

das Septum entnommen (150 ±5 mg) und, wie im Kapitel 3.1 beschrieben, präpariert. Die

9) Eine 32 Gew.-% Formaldehyd-Lösung in H2O oder D2O bei Reaktionsdurchführung im was-

serreichen Medium. Bei Reaktionsdurchführung im anilinreichen Medium wurde Men-TMA als Lösung in TMA (Molanteile ≈ 1:2) in den meisten kinetischen Experimenten als FA-Quelle anstatt der Formaldehyd-Lösung verwendet. Die Äquivalenz und Vorteile dieses Ersatzes wurden bereits diskutiert.

10) Die Drehzahl betrug 500 – 600 s-1. In speziellen Experimenten wurde gezeigt, dass eine Erhö-hung der Drehzahl auf 900 s-1 keine Änderung der beobachteten Reaktionskinetik hervorruft; indessen führt die Herabsetzung auf 30 s-1 zur merklichen Verlangsamung der Reaktion.


ΑΑΑΑbbildung 54: 54: 54: 54: Konzentrationsverlauf der Hauptkomponente bei der sauren Umsetzung von TMA mit Formaldehyd. 1H-NMR-Messungen in CDCl3-Lösung. Einsatzmolverhältnis: TMA:FA:HCl:H2O = 10:1:1:4.5, T = 70 ºC (Ta-belle 5 auf der Seite 117, Zeile 1)

CDCl3–Extraktion erfolgte aus mäßig alkalischer Lösung (pH = 9 – 11). Die erste Probe wur-

de 5 Minuten nach Reaktionsbeginn entnommen. Das Setup der Online-Experimente und

der 1H-NMR-Messungen waren völlig analog zu dem Setup in den Experimenten mit

An-Fa-HCl–System. Die Reaktionstemperatur wurde mit einer Genauigkeit von ±0.3 ºC

eingestellt.

Das Komponentenverhältnis wurde so ausgewählt, dass das Reaktionsgemisch während des

Reaktionsverlaufs homogen blieb. Bei Reaktionsdurchführung im organikreichen Medium

wurde Salzsäure durch eine äquimolare Menge des TMA-Hydrochlorids ersetzt.

5.4.4 Ergebnisse der kinetischen Messungen

Abbildung 54 zeigt beispielhaft den experimentellen Konzentrationsverlauf der Komponen-

ten Men-TMA 27, N-Methyl-TMA 28 und N,N-Dimethyl-TMA 29. Die Daten wurden

mit der „Röhrchen“-1H-NMR-Spektroskopie gewonnen. Es wurden beim Auslegen der Dia-

gramme und der kinetischen Berechnungen die gefundenen Konzentrationen von N-Methyl-

TMA 28 und seines Formiates 31 summiert und als N-Methyl-TMA verarbeitet.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1

M-TMA

Men-TMA

M2-TMA


OH2TMA HCOOH ++ F-TMA

30

M-TMA OH2HCOOH

31

+FM-TMA+

M-TMACH2O2k

(24)

+TMA + HCOOH H2O+

M2-TMA

k(25)

2 CH2OM-TMA + + HCOOH H2O+

CH2O Kf =FA ;

Kf [CH2O]

[FA]

(XXIV)

(XXV)

(XXVI)

(XXVII)

Die kinetischen Konstanten können entweder aufgrund der sinkenden Konzentration von

Men-TMA oder der steigenden Konzentration der Produkte 20 und 22 berechnet werden.

Da die Auswahl zwischen diesen beiden Möglichkeiten, die als Messmöglichkeit („Markie-

rung“) für die Reaktionen dienen, die Genauigkeit und die Richtigkeit der ermittelten Er-

gebnisse beeinflusst, wird dieses Problem im Folgenden ausführlich analysiert.

5.4.4.1 Reaktionsstöchiometrie und Auswahl der kinetischen Markierung

Die Gleichungen zu den in Abbildung 42 dargestellten Reaktionsgrundzügen lauten:

Der Beitrag der Umwandlungen (XXVI) und (XXVII) wird vernachlässigt, weil 1.) TMA

in großem Überschuss vorliegt („pseudo-nullter Ordnung“ bezüglich TMA) und weil 2.) die

Formiate 30 und 31 unter den Reaktionsbedingungen Ameisensäure zurückbilden , so dass

die Konzentration von 31 typischerweise nur ein Bruchteil von M-TMA beträgt.

Da es sich bei den Reaktionen (XXIV) und (XXV) um den gleichen Typ handelt, werden

die Geschwindigkeitskonstanten k(24) und k(25) gleichgesetzt. Durch diese vereinfachende,

aber näherungsweise richtige Annahme (die pKS-Werte von TMA und M-TMA unter-


(XXVIII)

Men-TMA ;Kf-TMA

H2O CH2O+ + TMA , (XXVIII-A) mit

2 2

2 2

f-TMA

[CH O] [CH O]

[H O][Men-TMA] [H O][FA]= K ≈

FAKf

CH2OKf =

[CH2O]

[FA];

scheiden sich nur um 0.2) verringert sich die Zahl der Geschwindigkeitskonstanten in den

kinetischen Gleichungen auf 1.

Auswahl der kinetischen Markierung bei den Messungen im TMA-reichen Medium

Bei dem Ausstellen der kinetischen Gleichungen ist auch die reversible Bildung der reakti-

onsfähigen CH2O-Moleküle aus den als „brutto-Formaldehyd“ bezeichneten labilen Spe-

zies zu berücksichtigen:

wo Kf generell von [H2O] und [TMA] abhängig ist. Im TMA-reichem Medium fungiert

hauptsächlich Men-TMA als Formaldehydspeicher FA (Kap. 5.4.1), und dieses Prozess

kann zum reversiblen Reaktion (XXVIII-A) vereinfacht werden:

wobei die Konzentration des TMA, die in Experimenten in TMA-reichem Medium prak-

tisch konstant ist, mit in die Konstante Kf-TMA einbezogen ist.

Bei Annahme einer Reaktion erster Ordnung bezüglich der Aminkomponente, gleicher

Reaktionsordnungen bezüglich FA und Säure (entsprechend α und β) in den Reaktio-

nen (XXIV) und (XXV) sowie des Gleichgewichtzustands in den vorgelagerten rever-

siblen Formaldehyd-Umwandlungen (Kap. 5.4.1), ergibt sich als Geschwindigkeitsglei-

chung:


( 24 ) α α α + βf-TM A 2

( 25) α α α + βf-TM A 2

d[FA] 2 [TM A][FA] [H O] [H ]

dt

2 [M -TM A][FA] [H O] [H ]

k K

k K

− ≈ +

+

(24) α α α + β

f-TMA 22 [FA] [H O] [H ] ([TMA] + [M-TMA])k K=

mit k(24)≈ k(25)

(13)

[M] = [M-TMA] + 2 [M2-TMA] (14)

2 FA + HCOOHM

(29)k obs

H, TMA+ (XXIX)

(29)k obs

(29) (24) α α + β

obs f-TMA 2 0[H O] [H ] [TMA ]k k K= (15)

(24) α α α + β

f-TMA brutto 2 02 [Fa ] [H O] [H ] ([TMA ])k K≈

wenn man die Konzentration des doppeltmethylierten Produktes M2-TMA im Vergleich zu

der summarischen Konzentration von TMA und M-TMA vernachlässigen kann. Dieser

Vorbehalt erfüllt sich immer in den Experimenten unter den Bedingungen einer Reaktion

pseudo-nullter Ordnung bezogen auf TMA, da die Konzentration von M2-TMA maximal

3% von [TMA0] am Ende des für die kinetischen Berechnungen betrachteten Zeitintervalls

erreicht.

Bezeichnet man weiter als M die entstehende N-Methylfunktionalität, dann gilt:

und die Reaktionsgleichungen (XXIV), (XXV) und (XXVIII) erhalten damit folgende

Kurzform:

Mit (13) ist die beobachtete Geschwindigkeitskonstante das Produkt: 11)

11) Die Richtigkeit von (15) für die N-Methylfunktionalität M folgt direkt aus (XXIV), (XXV), (14):

+ +(24) α β ( 25 ) α β

(25 +

2 2

) α β

2

[TM A][CH O] [H ] [M -TM A][CH O] [H ]

CH O

d

dt

2 [M-TM A][ ] [H ]

k k

k

= − +

+

M

+ +

0 0

(24) α β (24) α α βα (29)2 f 2 obs[CH O] [H ] [TMA ] [FA] [H O] [H ] [TMA ] [FA]k k kK α

≈ = =

( 24) α + β

2[CH O] [H ] ([TMA] + [M-TMA])k=


(29)k obs

NH2 NHCH

3

CO2+ HCOOH +

28

+ CH2O- H2O

(XXX)

3 FA + CO2

H, TMA+

M2

(31)k

obs(XXXI)

=(29)(31)

k obs k obs (16)

Sollte TMA als Lösungsmittel verwendet werden, so gilt auch: [FA] ≈ [Men-TMA] (Kapi-

tel 5.4.1), und für die Berechnung von kann man sowohl die Daten zur abnehmen-

den Konzentration von Men-TMA als auch zur steigenden Konzentration von M verwen-

den. In der Experimenten unter den Reaktionsbedingungen pseudo-nullter Ordnung

bezogen auf TMA wurde hauptsächlich die erste Messmöglichkeit („Markierung“) verwen-

det, denn die kinetischen Berechnungen auf Grund der Konzentrationmessungen eines Pro-

duktes (in unserem Fall M) setzen eine besonders zuverlässige Aufklärung des Reaktions-

netzes und der Reaktionsstöchiometrie voraus [95].

Bisher wurde noch ein Reaktionsweg zu N-methylierten Produkten nicht diskutiert: die

LEUCKART-WALLACH-Reaktion mit freigesetzter Ameisensäure:

Berücksichtigt man den „Ursprung“ der HCOOH-Moleküle, so kann der Prozess (XXX),

völlig analog zu (XXIX), in die folgende Kurzform überführt werden:

Im Vergleich mit Formaldehyd läuft die Reduktion von Men-TMA mit Ameisensäure we-

sentlich schneller ab (siehe Kapitel 5.4.6.3, Experimente mit Zugabe von Ameisensäure).

Folglich ist die Bildung von HCOOH durch die Reaktion (XXIX) eine Limitierungsstufe

für den Bruttoprozess (XXXI), die Reaktionsordnung bezüglich aller Komponenten der Re-

aktionen (XXIX) und (XXXI) ist gleich und für die beobachteten Geschwindigkeitskon-

stanten gilt:


(29) α + β

obs

Men-TMAMen-TMA H

d[ ]2 [ ] [ ] ...

dtk=−

(29) α + β

obs

MMen-TMA H

t

d[ ][ ] [ ] ...

dk=

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(29) α + β

obs

Men-TMAMen-TMA H

t

d[ ]3 [ ] [ ] ...

dk=−

(29) α + β

obs

MMen-TMA H

t

d[ ]2 [ ] [ ] ...

dk=

(29) (berechn)obs obs /k k F=

(berechn)obsk

In unseren Messungen konnte leider nicht bestimmt werden, welcher Anteil der gebildeten

Ameisensäure für die LEUKERT-Methylierung und welcher für die Formylierung gemäß der

Gleichungen (XXVI) und (XXVII) verbraucht wird. Der Grund ist eine sehr leichte Versei-

fung der Formiate 30 und 31 bei der Probenaufarbeitung während der Extraktion aus der

alkalischen Lösung.

Diese Tatsache ist noch ein Argument für die Auswahl der Messung der sinkenden

Men-TMA–Konzentration als Markierung für die kinetischen Berechnungen. Sollte die Re-

aktion wirklich entsprechend einer reinen „PLÖCHL-Stöchiometrie“ (XXIX) ablaufen, dann

gelten die kinetischen Gleichungen:

Im Falle einer reinen „LEUKERT-Stöchiometrie“ (XXXI) gelten die Gleichungen:

die sich von (17) und (18) nur durch den ersten numerischen Koeffizienten unterscheiden.

Wenn folglich ein Mischfall stattfinden sollte, kann man die experimentellen Daten nach der

Stöchiometrie (XXIX) aufarbeiten mit folgender Korrektur eines aufgrund von experimen-

tellen Daten berechneten Geschwindigkeitskonstante :

wo der Korrekturfaktor F davon abhängt, welcher Anteil der gebildeten Ameisensäure

gemäß (XXX) abreagiert. Aus dem paarweisen Vergleich von (17) - (19) und (18) - (20)

folgt, dass im Fall der Berechnungen mit der Men-TMA – Konzentration der Korrekturfak-

tor F Werte zwischen 1.0 und 1.5 annehmen kann. Im Fall von Berechnungen mit der


(XXXII)

2

+

f-H O

(32-1) (24) α α β

obs [FA] [H ]k k K=

2

+

f-H O

(32-2) (25) α α β

obs [FA] [H ]k k K=

TMA M-TMA M2-TMA

FAH ,+ FAH ,+

(32-1) (32-2)k obsk obs

M – Konzentration liegt der Faktor F zwischen 1.0 und 2.0. Wenn also der Beitrag der

LEUKART-Methylierung nur sehr ungenau bekannt ist, sind die Berechnungen aufgrund

der sinkenden Men-TMA–Konzentration weniger fehlerbehaftet als die Berechnungen

aufgrund der steigenden Produktkonzentrationen.

In unseren Experimenten unter Reaktionsbedingungen pseudo-nullter Ordnung bezüg-

lich TMA beträgt die Konzentration der formylierten Produkte 30 und 31 ungefähr

20 – 30 Mol.-% der Konzentration der Produkte 28 und 29. Dementsprechend wurde dem

Korrekturfaktor F ein Wert von 1.2 bei der Berechnung der experimentellen Daten zuge-

ordnet.

Auswahl des kinetischen Markierung bei den Messungen im H2O-reichen Medium.

Im wasserreichen Medium wurden kinetische Experimente unter den Reaktionsbedingungen

pseudo-nullter Ordnung bezogen auf FA bei hoher Säurekonzentration durchgeführt

(Kap. 4.4.2). Für die kinetische Berechnungen vereinfachen sich die Umwandlungen (XXIV)

und (XXV) damit zur Form der Reaktionen pseudo-erster Ordnung (XXXII):

und unter der Annahme gleicher Reaktionsordnung der ersten und zweiten Methylierungsstu-

fen bezogen auf [FA] und die Säurekonzentration:

wobei Kf-H2O der Gleichgewichtskonstante der Reaktion (XXVIII) im wasserreichen Me-

dium entspricht. Unter diesen Bedingungen bleibt die Konzentration des Wassers konstant

und ist deswegen in die Konstante Kf-H2O einbezogen.


ΑΑΑΑbbildung 55:55:55:55: Konzentrationsverlauf der Men-TMA 19 in transformierten Koordinaten Experimentelle Bedingungen siehe in Abbildung 54

und(32-1)

k obs

(32-2)k obs

Offensichtlich, lassen sich in diesem Fall die Reaktionsordnung bezüglich Aminokomponen-

te und die beobachtete Geschwindigkeitskonstanten aufgrund der Kon-

zentrationsdynamik von TMA, M-TMA und M2-TMA ableiten.

5.4.4.2 Bestimmung von der Reaktionsordnung bezüglich FA und HCl im

TMA-reichen Medium

In allen Experimenten unter der Bedingung einer Reaktion pseudo-nullter Ordnung bezüg-

lich TMA, wurde zweite Ordnung der Reaktion bezüglich FA festgestellt. Der Graph

von 1/[Men-TMA] als Funktion von t ist linear mit einem Korrelationskoeffizient in den

meisten Experimenten größer als 0.96. Ein typischer Konzentrationsverlauf in den transfor-

mierten Koordinaten 1/c – t für Men-TMA ist in Abbildung 55 gezeigt.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

0 100 200 300 400 500 600 700

Zeit /min

[Men

-TM

A]-1

, /l·

mol

-1


Abbildung 56: Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten zweiter Ordnung von HCl–Konzentration. T = 70 ºC, [TMA] = 6.5 mol/l (Lösungsmittel)

Die Geradensteigung ergibt (geteilt durch den stöchiometrischen Koeffizienten 2 und den

Korrekturfaktor F = 1.2) die Geschwindigkeitskonstanten kII zweiter Ordnung (hier und

im Folgenden: der obere lateinische Index bezeichnet die Konstantenordnung). Die unter

verschiedenen Reaktionsbedingungen gemessenen kII werden in Tabelle 5, Spalte 7 dar-

gestellt.

Die Konstanten zweiter Ordnung sind linear abhängig von der Säurekonzentration (siehe Ta-

belle 5, Spalte 7, Zeilen 1 – 7 und Abbildung 56), was eine Kinetik erster Ordnung be-

zogen auf HCl nachweist. Eine Auftragung der kII gegen [HCl] ergibt eine Gerade, de-

ren Steigung Geschwindigkeitskonstanten dritter Ordnung kIII liefert (Tabelle 5, Spalte 8;

Zeilen 1 – 7). In den nachfolgenden Experimenten unter Reaktionsbedingungen pseudo-

nullter Ordnung bezüglich TMA (Zeilen 8 – 14) wurden die Konstanten dritter Ordnung

einfach als Quotient kII/[HCl] berechnet. Der Ordinatenabschnitt von 0.3 (Abbildung 56)

konnte dabei in Rahmen unserer Genauigkeit vernachlässigt werden, auch weil im Experi-

ment ohne Salzsäure keine messbare Bildung von methylierten Produkten fixiert wurde.

0

5

10

15

20

25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

k ·1

0-5 /

l·mol

-1·s

-1

[HCl] /mol·l-1

5.4 Experim

entelle Untersuchungen 117

Tabelle 5: Geschwindigkeitskonstanten von PLÖCHL-Methylierung des 2,4,6-Trimethylanilins

Eingesetzte Fa-Quelle

9

Men-TMA

Fa/H2O

Men-TMA

Fa/H2O

Men-TMA

Men-TMA

Fa/H2O

Men-TMA

Men-TMA

Men-TMA

Men-TMA

Men-TMA

k III ·10-5

l2/mol2 ·s

8

21

20

18.5

105

63

11.7

k II ·10-5

l/mol·s

7

12

13

6.0

6.3

3.0

18.3

18.5

6.5

11.3

64

38

7.2

T ºC‚

6

70

70

70

70

70

70

70

70

70

90

80

60

[H2O] *)

mol/l

5

2.6

3.0

2.7

2.6

2.5

2.6

2.6

1.4

5.47

3.0

3.0

3.2

[HCl] mol/l

4

0.6

0.62

0.29

0.32

0.15

0.87

0.88

0.33

0.61

0.61

0.60

0.62

[FA0]

mol/l

3

0.6

0.6

0.57

0.65

0.60

0.58

0.59

0.67

0.62

0.62

0.61

0.64

[TMA] mol/l

2

6.48

6.4

6.60

6.47

6.60

6.43

6.43

6.60

6.13

6.2

6.1

6,4

Nom. Exp.

1

38, 39, 48

55

41, 42

57

43, 45

49

50

51

54

67

68

69

TMA-reiches Medium: Variation der Säurekonzentration und Fa-Quelle

1

2

3

4

5

6

7

TMA-reiches Medium: Variation der H2O - Konzentration

8

9

Variation der Temperatur

10

11

12

118 5 Untersuchung der N

-Methylierung an M

odellsystem

Tabelle 5 (Ende)

*) Ohne Reaktionswasser **) Als Men-TMA und Fa/H2O sind entsprechend MenTMA–Lösung in TMA und 32 Gew.-% Lösung in H2O bezeichnet (Kap. 5.4.3.

Eingesetzte Fa-Quelle

9

Men-TMA

Men-TMA

Fa/H2O

Fa/H2O

Fa/H2O

Fa/H2O

Fa/H2O

k III ·10-5

l2/mol2 ·s

8

20

13

k III ·10-5

l2/mol2 ·s

0.18

0.25

0.20

0.22

0.24

k II ·10-5

l/mol s

7

36

26

k I ·10-5

1/s

2,2

8,1

4,0

1.3

1.4

T ºC‚

6

70

70

T ºC‚

70

70

70

70

70

[H2O] mol/l

5

15.0

33.2

[H2O] mol/l

≈ 40

≈ 40

≈ 42

≈ 44

≈ 43

[HCl] mol/l

4

1.82

1.94

[HCl] mol/l

1.3

1.7

1.3

1.3

2.6

[FA0] mol/l

3

0.46

0.22

[FA0] mol/l

3.4

5.6

4.4

2.5

2.5

[TMA] mol/l

2

4.61

2.34

[TMA 0] mol/l

0.67

0.67

0.43

0.20

0.20

Nom. Exp.

1

60

65

Nom. Exp.

78

79

80

84

85

H2O – reiches Medium, TMA in Überschuss.

13

14

H2O – reiches Medium, Fa in Überschuss.

15

16

17

18

19


Abbildung 57: Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten dritter Ordnung von der Temperatur in Arrheniuskoordinaten; [TMA] = 6.5 mol/l (Lösungsmittel)

5.4.4.3 TMA-reiches Medium: Men-TMA oder wässrige Fa-Lösung als Fa-Quelle

Die kinetischen Messungen unterstützen die im Kapitel 5.4.1 geäußerte Schlussfolgerung,

dass in den Experimenten im TMA-reichen Medium wässriger Fa adäquat durch Men-TMA

als Formaldehydquelle ersetzt werden kann (vgl. Zeilen 1-2, 3-4, 6-7 in Tabelle 5).

5.4.4.4 TMA-reiches Medium: Abhängigkeit der kIII von der Temperatur

Die Logarithmen der Geschwindigkeitskonstanten dritter Ordnung zeigen eine lineare Ab-

hängigkeit von der reziproken Temperatur (Tab. 5, Zeilen (1 – 7, 10 – 12); Abbildung 57).

Aus der Steigung und dem Ordinateabschnitt wurde Aktivierungsenergie Ea/R und Arrheni-

usscher Frequenzfaktor A berechnet. Für die TMA-reiche Phase ergeben sich:

Ea = 150 ± 30 kJ/mol, 12) A = 1.3·1018± 0.3 l2/(mol2 ·s).

12) Gezeigt Standartfehler, berechnet nach [96].

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1

[ln k

III

T -1 / K-1


Abbildung 58: Abhängigkeit des Quotienten 2

[M-TMA]

[M -TMA] von der [HCl] und der Tempera-

tur, gemessen im Zeitpunkt t1/2 bezogen auf den FA–Verbrauch. Die Re-aktionsbedingungen: links – siehe Zeilen 1 – 7 und 13 Tabelle 5;rechts – siehe Zeilen 10 – 12 Tabelle 5

5.4.4.5 TMA-reiches Medium: Abhängigkeit der kIII von Wasserkonzentration

Im Rahmen der Messgenauigkeit wurde keine Abhängigkeit der kIII von der Wasserkonzent-

ration festgestellt (vgl. Zeilen (1 – 7) und 8, 9 in der Tabelle 5).

5.4.4.6 TMA-reiches Medium: Abhängigkeit des Verhältnisses der [M-TMA] zu

der [M2-TMA] von der [HCl] und von der Temperatur

Im TMA-reichen Medium führte die Erhöhung der Säurekonzentration und der Temperatur

zur Vergrößerung des [M-TMA]/[M2-TMA] – Verhältnisses. Dieser Quotient, gemessen im

Zeitpunkt t1/2 bezogen auf den FA–Verbrauch, ist graphisch in Abbildung 58 dargestellt.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,5 1 1,5 2

[M-T

MA

] / [

M2-

TM

A]

[HCl] /mol·l-1

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

50 60 70 80 90 100

T / ºC

[M-T

MA

] / [

M2-

TM

A]


Abbildung 59: Reaktionsverlauf in wasserreichem Medium unter den Bedingungen einer Reaktion pseudo-nullter Ordnung bezüglich FA. Experiment 80 (Zeile 17 Tabelle 5)

5.4.4.7 Messungen im wasserreichen Medium

Im wasserreichen Medium unter den Bedingungen einer Reaktion pseudo-nullter Ord-

nung bezogen auf FA (mindestens 5-facher Überschuss von FA bezogen auf TMA und

[HCl] : [TMA] >1) lassen sich die experimentellen Daten an die integrierte Geschwindig-

keitsgleichung erster Ordnung bezüglich TMA anpassen. Eine Auftragung von

ln ([TMA0] – [M-TMA] – [M2-TMA]) gegen Zeit ergibt eine Gerade (Abbildung 59), de-

ren Steigung Geschwindigkeitskonstanten erster Ordnung kI liefert. Sie sind in Tabelle 5,

Spalte 7 (für Experimente in Zeilen 15 – 19) angegeben.

Die zunehmende Konzentration der Reaktionsprodukte wurde in diesem Fall als Messver-

fahren („kinetische Markierung“) verwendet, weil die abnehmende Konzentration des Eduk-

tes (TMA) NMR-spektroskopisch schwer messbar ist. Die Division der Geschwindig-

keitskonstanten erster Ordnung kI durch [FA]2 ergibt Geschwindigkeitskonstanten dritter

Ordnung kIII (Tab. 5, Spalte 8, Zeilen 15 – 19). Die annähernd gleichen Werte von kIII in

-2,0

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

0 100 200 300 400

Zeit /min

ln (

[TM

AO] -

[M-T

MA

] - [M

2-T

MA

])


CH2(OH)

2Cl O Cl+ HCl

33

Experimenten mit unterschiedlicher Formaldehydkonzentration indizieren Reaktionen zwei-

ter Ordnung bezogen auf FA.

Im Unterschied zu den anilinreichen Reaktionsbedingungen weist die Reaktions-

geschwindigkeit nur eine geringe Abhängigkeit von der Säurekonzentration auf (vgl. kIII in

Zeilen 18-16-19). Mit Rücksicht auf die Genauigkeit unserer Messungen wurde der Reakti-

onsordnung bezüglich der Säurekonzentration der Wert 0 zugeordnet.

Für die Berechnung der kinetischen Konstanten wurden die Daten nur aus dem Zeitintervall

von 0 – 360 Minuten verwendet, wenn die Konzentrationsabnahme von FA und HCl we-

gen der Bildung des Dichlordimethyläther 33 vernachlässigt werden kann:

Die Messungen im wasserreichen Medium wurden mittels Online–Flow–Technik durchge-

führt. Informativ liefert sie in diesem Fall gleichwertige Resultate mit dem „Extraktionsver-

fahren“ (Kapitel 5.3), ist jedoch weniger aufwendig.

Die ermittelten Werte für die Geschwindigkeitskonstanten können zuletzt mit den Angaben

von Ringel et al. [4] verglichen werden. In dieser schon oben mehrmals zitierten Arbeit

wurde ein sehr vereinfachtes reaktionskinetisches Modell der Anilin-Formaldehyd-

Kondensation vorgeschlagen und aufgrund einiger Erfahrungswerte die kinetischen Parame-

ter des Prozesses herausgefunden, welche in Kapitel 2.1.3 analysiert wurden. In Anbetracht

1.) des in [4] angegebenen Werts von 1.436 ·10-4 kg2/(mol2·s) für die Geschwindig-

keitskonstante der N-Methylierung dritter Ordnung (in [4] und im Kapitel 2.1.3 bezeich-

net als k’’), die im Bezug auf [FA]2 und [Aminogruppe] berechnet wurde; 2.) der Säu-

rekonzentration von 2.5 mol/l nach Angaben [4]; 3.) der Dichte des Reaktionsgemisches

von ca. 0.95 kg/l bei T = 70 ºC, und 4.) der in dieser Arbeit gefundenen Reaktionsord-

nung „eins“ bezogen auf die Säurekonzentration, kann jetzt die vergleichbare Geschwin-

digkeitskonstante dritter Ordnung im Bezug auf [Fa]2 und [HCl] berechnet wurden. Es

ergibt sich ein Wert von 32 ·10-5 l2/(mol2·s), was dem in dieser Arbeit gefundenen Wert

von 21·10-5 l2/(mol2·s) nahe kommt.


5.4.4.8 Abschätzung des Verhältnisses der Geschwindigkeitskonstanten für die erste

und für die zweite Methylierung (k(24), k(25) in Gleichungen (XXIV), (XXV))

In fünf Experimenten, die im wassereichen Medium unter den Bedingungen eines

Fa-Überschusses durchgeführt wurden, weisen die Konzentrationskurven von TMA und der

Reaktionsprodukte einen ähnlichen Verlauf auf. In Abbildung 60 sind sie vom Experi-

ment 84 (Zeile 18 Tabelle 5) dargestellt.

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0 500 1000 1500 2000

Zeit /min

M2-TMA

M-TMA

Kon

zent

ratio

n /

mol

·l-1

Abbildung 60: Exp. 84: Konzentrationszeitverlauf von Komponenten.

[TMAstoich] = [TMA] + [TMA·H+] = [TMA0] – [M-TMA] – [M2-TMA]

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 500 1000 1500 2000

TMAstoich

Kon

zent

ratio

n /

mol

·l-1


M2-TMA2 CH2OM-TMA + + HCOOH

k(25)

H2O

M-TMA+TMA + HCOOHCH2O2k

(24)

H2O

(22) (25)

(24)

[TMA]

[M-TMA]

k

k=

(XXIV)

(XXV)

Typisch ist das Vorliegen eines Maximums auf der M-TMA – Konzentrationskurve. In die-

sem Zeitpunkt sind die Geschwindigkeiten der Reaktionen (XXIV) und (XXV) gleich und

es gilt (22):

Dieser Quotient beträgt in unseren Experimenten 1.0 ±0.2.

Demnach sind die beobachteten Geschwindigkeitskonstanten für die erste und zweite Methy-

lierung annähernd gleich, und die Annahme im Kapitel 5.4.4.1, dass die beiden Konstanten

gleichgesetzt werden können, ist korrekt.


K3

CH2(OH)2

M-TMA

HCOOH

N

+

kred

N

H+

+ + +

KMG1

+CH2O CH2(OH)2H2O

K(33)

27

TMA + CH2O Men-TMA H2O+

TMA +

KS

H+

H+

TMA .

N+

K3 32

27 + H+

N OH

Kpr

H2O H2O H+

+

KC

+ +

Abbildung 61: Einfaches kinetisches Schema der PLÖCHL-Methylierung (die erste Stufe)

(XXXIII)

(XXXIV)

(XXXV)

5.4.5 Diskussion zum Reaktionsmechanismus

5.4.5.1 Reaktionsmechanismus

Die ermittelten Daten zur Reaktionsordnung und die ermittelten Geschwindigkeitskonstanten

beziehen sich auf folgendes reaktionskinetisches Schema:


N

CH

+

(H)

N

CH

C

OH

H

OH

N

C

+ HCOOH

+ CH2(OH)2

K3

+

(H)

+

(H)

An dieser Stelle ist zu bemerken, dass dieser Reaktionsmechanismus aufgrund der allein

NMR-spektroskopischen Untersuchung in dieser Arbeit nicht eindeutig bestätigt werden

konnte. Das wird im Kapitel 5.4.5.6 ausführlich diskutiert. In Reaktion (XXXV) ist Me-

thylenglykol CH2(OH)2 als reagierende Spezies gezeigt, ausgehend von der Vermutung,

dass das Kation K3 über einen cyclischen Übergangszustand zum Amin reduziert wird

(analog LEUKART-WALLACH-Reaktion [113]):

Das Reaktionsschema in der Abbildung 61 ermöglicht eine einfache Interpretation der expe-

rimentellen Daten in den letzten fünf Zeilen der Tabelle 5 (Messungen im wasserreichen

Medium mit Fa in Überschuss). Unter diesen Bedingungen, gilt für die Konzentration des

Methylenglykols:

[CH2(OH)2] ≈ Kf-H2O ·[FA] 13)

Man kann ferner aufgrund der 1H-Spektren schließen, dass die Konzentrationen von den

Intermediaten 27, 32 und von ihren protonierten Formen im Reaktionsgemisch wesentlich

niedriger als die stöchiometrische Konzentration von TMA sind14). Folglich gilt für die

13) In dieser Arbeit wurde angenommen, dass die Dissoziationskonstante des FA in wässrigen Lö-

sungen Kf-H2O unabhängig von der FA-Konzentration ist. Simulationsberechnungen nach An-

gaben [97] ergeben nur eine mäßige Steigerung des CH2O–Molanteils (und folglich von Kf-H2O) von 0.019 auf 0.021 bei einer Absenkung des FA/H2O-Verhältnisses von 1/30 auf 1/150 bei T = 70 ºC.

14) Das Online-Flow-Experiment ermöglicht es nicht, die Konzentration dieser Intermediate zu mes-sen. In einigen parallel durchgeführten Extraktionsmessungen wurde gezeigt, dass der Anteil des mit Formaldehyd abgelagerten TMA maximal 12 % von [TMAstoich] beträgt.


2 stoichd[TMA ]d([M-TMA] + [M -TMA])=

dt dt r ≈ −

III 2obs stoich= [TMA ] [FA] ,kr

2

2 (33)red Pr S f-H OIII

obs

MG1 2

= [H O]

k K K K Kk

K ⋅

mit

+ S S+ +

S

stoich[TMA] ([TMA] [TMA H ]) [TMA ]+ [H ] [H ]

K K

K= + ⋅ ≈ (24)

(25)

(26)

2

2 (33)red Pr S f -H O 2

MG1stoich = [TMA ] [F A]

k K K K K

K

red 2 2 [ ] [CH (OH) ]k≈ K3

, oder

(23) [TMAstoich] = [TMA] + [TMA·H+] + [Men-TMA] + [K3] + [24] + [24·H+]

≈ [TMA] + [TMA·H+]

Letzte und für die Konzentration des unprotonierten TMA:

15)

In den betrachteten Experimenten wurde als Reaktionsgeschwindigkeit die summarische

Geschwindigkeit der M-TMA– und M2-TMA–Konzentrationszunahme bezeichnet (Kapitel

5.4.4.7). Da die Konzentrationen der Intermediate der ersten und der zweiten Methylie-

rungsstufen (d.h. die Bildung der M2-TMA aus M-TMA) klein sind (siehe oben), kann die

Näherung des stationären Zustandes verwendet werden. In diesem Fall entspricht die Reak-

tionsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit des TMAstoich – Verbrauchs und gleichzeitig der

Geschwindigkeit von der Teilreaktion (XXXV):

Folglich verläuft die Reaktion gemäß dem Schema in Abbildung 61 im wasserreichen Me-

dium nach der ersten Ordnung bezüglich TMAstoich, nach der zweiten Ordnung bezüglich

FA und nach nullter Ordnung bezüglich HCl ab, was mit den Ergebnissen übereinstimmt.

15) Für 2,4,6-TMA:

25 5

Smol4 10

lK -= × [91], mit ∆ho = 39 kJ/mol [eigene Messung] für die Bil-

dung des TMA·HCl in wässriger Lösung ergibt 70 4

Smol3 10

lK -= ×


red 2 2 d[FA]

= 2 [ ] [CH (OH) ]d

r kt

− = K3

+ 2red Pr 2

Pr C 2

= 2 [H ] [FA] ( 1 [H O])

xr k K

x K K+ +

2MG1 2(33)

0

[H O]=

[TMA ]

Kx

K

(27)

(28)

(33)Pr C

2

MG1

20 [H O]K K K

K≈≈≈≈

wo:

= 2 kred KPr [Men-TMA] [H+] [CH2(OH)2],

[CH2(OH)2] = [FA] – [Men-TMA] – [32]

Nicht so offensichtlich ist die Dateninterpretation für die Experimente im TMA-reichen

Medium (Zeile 1 – 9, Tabelle 5). In diesem Fall wurde die Geschwindigkeit des FA–Ver-

brauchs als Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet (Kapitell 5.1.1.1) und die kinetische

Gleichung lässt sich folgenderweise darstellen:

Unter der Annahme, dass freier Formaldehyd in TMA-reichem Medium bei T = 70ºC

überwiegend im Form von CH2(OH)2 vorliegt (was zurzeit nur für die verdünnte wässrige

Lösungen experimentell nachgewiesen wurde [97]), und nach dem Einstellen:

16) ergibt:

Einige Summanden im Nenner der Gleichung (28) können aufgrund der Daten von Ather-

ton, Brown und Crampton [32] zur Kinetik der Methylolierung von substituierten Anilinen in

verdünnter wässriger Formaldehydlösung annähernd ausgewertet werden:

Weil [TMA0] ≈ 6 mol/l ist, ist der erste Summand (x) um ca. zwei Größenordnungen

kleiner als der dritte und kann deswegen vernachlässigt werden.

16) Die Protonierte Formen des Men-TMA 27 und des Karbinols 33 wurden in dieser Bilanzie-

rung vernachlässigt. Die pKS-Werte des Imins und des Karbinols sind wesentlich niedriger [14, 68] als der des TMA (pKS = 4.6). Folglich, sind die unprotonierte Formen von 27 und 33 un-ter den Bedingungen dieser Experimente ([TMA]/[H+]>1) dominant.


2red Pr 2

Pr C 2

2 [H ] [FA]( [H O])

xr k K

K K+≈

2 +red MG12 (33)

Pr C 0

2[FA] [H ]

[TMA ]

k K

K K K=

(29) 2red MG1 S

2 (33) 2Pr C 0

2[FA] [HCl]

[TMA ]

k K K

K K K=

Der dritte Summand im Nenner von (28) gibt das Verhältnis von Karbinolanilin 24 zu Me-

thylenanilin 19 im Reaktionsgemisch an. Sein Wert kann leider weder aufgrund der Litera-

tur noch aus eigenen experimentellen Daten nicht einmal annähernd abgeschätzt werden.

Sollte er wesentlich größer als der zweite Summand „1“ sein, vereinfacht sich (28) zu:

Folglich ist die Reaktion unter diesen Annahmen erster Ordnung bezüglich HCl, zweiter

Ordnung bezüglich FA und nullter Ordnung bezüglich H2O, was mit den Ergebnissen für

das anilinreiche Medium übereinstimmt.

5.4.6 Weitere Experimente zur Aufklärung des Reaktionsmechanismus

Der in der Abbildung 61 dargestellte Reaktionsmechanismus ist konsistent mit der gefunde-

nen Reaktionsordnung, erklärt jedoch nicht die in den Experimenten im TMA-reichem Me-

dium beobachtete Abhängigkeit des Verhältnisses der [M-TMA] zu der [M2-TMA] im

Reaktionsprodukt von der [HCl] und von der Temperatur (Kapitel 5.4.4.6). Es wurden

deswegen weitere Experimente zur mehr detaillierten Aufklärung des Reaktionsmechanis-

mus durchgeführt.

5.4.6.1 Einfluss von M2-TMA auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Experimentelles: In zwei Experimenten wurde M2-TMA im Molverhältnis von 1:1/2 und

1:1 zum eingesetzten FA dem Reaktionsansatz hinzugefügt. Die übrigen Reaktionsbedin-

gungen waren ähnlich denen im „Referenzexperiment“ No.48 (Zeile 1 Tabelle 5). Der

Konzentrationszeitverlauf der Komponenten ist auf den Diagrammen in Abbildung 62 dar-

gestellt.


Abbildung 62: Reaktionsverlauf unter Zugabe von M2-TMA. Reaktionseinsätze:

– Exp. 48 TMA : FA0 : HCl : H2O = 6.5 : 0.6 : 0.6 : 2.6 mol/l (Referenzexp.)

– Exp. 73 TMA : FA0 : HCl : H2O :M2-TMA = 6.2 : 0.6 : 0.6 : 2.6 : 0.3 mol/l

– Exp. 83 TMA : FA0 : HCl : H2O :M2-TMA = 5.9 : 0.6 : 0.6 : 2.6 : 0:6 mol/l

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 50 100 150 200

[Men

-TM

A]-1

/l

· m

ol-1

Referenzexp.

Exp.73

Exp.83

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 50 100 150 200 250 300 350

[M-T

MA

] /

mol

l-1

Exp. 83

Exp. 73

Referenzexp.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 50 100 150 200 250 300 350

Zeit / min

Exp. 83

Exp. 73

Referenzexp.

[M2-

TM

A]

/ m

ol ·

l-1


CH2(OH)

2+

NHCH

3 NH

CH2(OH)

2+

NH2

NCH

2

+

NHCH

2

+

NHCH

2

+

NHN

N

A B

+

+

C D

K4

+

K2 M-TMA

K3

M 2-TMA

+

Abbildung 63: Reaktionswege des Kations K3

Ergebnisse: Die Zugabe von einem halben Äquivalent M2-TMA ruft eine Beschleunigung

der Konzentrationsabnahme des Men-TMA um ca. den Faktor 3 und die Bildung von

M-TMA (Experiment 73) hervor. Die Zugabe von noch einem halben Äquivalent M2-TMA

(Experiment 83) führt zur weiteren Erhöhung der Geschwindigkeit der M-TMA–Bildung,

beeinflusst jedoch nur gering die Geschwindigkeit des Men-TMA – Verbrauchs.

Die Ergebnisse von anderen relevanten Experimenten:

• Eine Zugabe von M-TMA im Molverhältnis von 1:1 zum eingesetzten Fa bewirkt

keine Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit.

• In Abwesenheit von Men-TMA erfolgt keine Übertragung der N-CH3–Funktion

zwischen M-TMA, M2-TMA und TMA unter den Reaktionsbedingungen.

Diskussion: Diese Befunde führen zu weiteren Überlegungen bezüglich des Reaktionsme-

chanismuses der PLÖCHl-Methylierung. Folgende Reaktionswege für das Karbokation K3

werden vorgeschlagen, um die Wirkung des hinzugefügten M2-TMA zu erklären:


NCH

2OH

NH NCH

2

H2O-CH2O+

K428 32

+

Abbildung 64: Bildung des Karbokations K4 durch Methylolierung von M-TMA

Abbildung 65: Stöchiometrie der Reaktionswege mit dem Kation K3

B–D

(XXXVI)

NHCH

2

+

NH

N

CH2(OH)

2

- H+

N NHNH2

NH

+

K3

+ + HCOOH

- cat.

2+

- cat.

29 28

B–C

Der Pfad A, eine Reduktion des Karbokations K3 zum M-TMA, wurde schon im Reakti-

onsschema in der Abbildung 58 und in der darauf folgenden Diskussion analysiert. Pfad B,

die Reduktion von K3 mit M2-TMA, ist eine Alternative zur „normalen“ Bildung des Kati-

ons K4 durch die Assoziation von M-TMA und Fa und anschließende Dehydratation des

Aminokarbinols (Abbildung 64). Das Kation K4 reagiert entweder weiter unter Reduktion

mit Fa zu M2-TMA (Pfad C) oder reagiert durch Übertragung des kationischen Zentrums

auf ein nicht funktionalisiertes TMA-Molekül (Pfad D).

Stöchiometrische Gleichungen der Umwandlungen B–C und B–D:


K3 K3

N N NH2

B-D E

(XXXVII)

Das M2-TMA katalysiert also die Reduktion von K3 zu M-TMA (Pfad B–C) und K3

katalysiert seinerseits den Übergang der N-CH3 – Gruppe von M2-TMA nach TMA (Pfad

B–D). Folglich sind M2-TMA und die Karbokationen K3 nebeneinander nicht beständig.

Eine Bestätigung der in Abbildung 63 vorgeschlagenen Reaktionswege liefert ein Experi-

ment mit markiertem M2-TMA. Die PLÖCHL-Methylierung wurde unter Zugabe von

M2-TMA-d 9 durchgeführt (die Methyl–Substituenten am aromatischen Kern dieser Verbin-

dung sind „markiert“, d. h. vollständig deuteriert 17)). Die GC-MS-Analyse des Reaktions-

gemisches zeigt die Anwesenheit der deuterierten Moleküle nicht nur in der M2-TMA–

Fraktion, sondern auch in der M-TMA– und sogar in den TMA–Fraktionen. Das ist ein

deutlicher Nachweis des Pfades B:

Die Umwandlung E ist völlig analog mit B–D, im Fall von unmarkierten M-TMA enttarnt

und deswegen nicht interessant.

Die Reaktionswege B-C und B-D müssen dem kinetischen Schema in der Abbildung 60

hinzugefügt werden. Die vorhandenen experimentellen Daten ermöglichen es nicht, die Ge-

schwindigkeitskonstanten dieser Teilreaktionen abzuschätzen. Ihr Beitrag zur beobachteten

Reaktionskinetik in unseren Experimenten kann in folgenden Fällen vermutlich vernachläs-

sigt werden: a) bei den Messungen im wasserreichen Medium während des ganzen Reakti-

onsverlaufes wegen der hohen FA–Konzentration und folglich wegen der starken Konkur-

renz von Seite des Pfads A, Abbildung 63; b) bei den Messungen im anilinreichen Medium

nur in der Reaktionsanfangsphase, wenn die Konzentration von M2-TMA gering ist und die

nicht-katalytischen Wege dominieren.

17) Die Synthese von TMA-d9 erfolgte durch Trimethylpyriliumperchlorat; siehe Experimentellen

Sektion, Anhang B.


Abbildung 66: 1H-NMR-Spektrum des Men-TMA-d9 in CDCl3

5.4.6.2 Übertragung der Methylenfunktion

Experimentelles: Das markierte Men-TMA-d 9 wurde in einem Experiment als Formalde-

hydquelle verwendet. Die Verteilung der N=CH2 – Funktionalität im Reaktionsablauf zwi-

schen den markierten und nicht markierten TMA–Molekülen wurde mittels 1H-NMR–

Spektroskopie bestimmt („Röhrchen“-Messmethode). Im Unterschied zu den beiden inten-

siven Singuletts bei 2.05 und 2.24 ppm (Abbildung 49) des nicht markierten Men-TMA

weist das 1H-NMR-Spektrum der markierten Verbindung breite Multipletts für die restlichen

Protonen in geringer Intensität auf (Abbildung 66). Dabei ermöglichen die unveränderten

Resonanzen der aromatischen und N=CH2 – Protonen die Bestimmung der brutto-Konzen-

trationen an markierter und nicht markierter Verbindung. Durch Intensitätsvergleich der Sig-

nale bei 2.05 und 2.24 ppm (die praktisch vollständig den Methylgruppen des nicht mar-

kierten Men-TMA zugeordnet werden können) und der Signale der N=CH2 – Gruppen las-

sen sich die Konzentrationen von den beiden diesen Komponenten auch in TMA-Lösung

leicht zu berechnen.

7.007.50 2.002.102.202.302.40

δ /ppm


(XXXVIII)

(XXXIX)

N NH2

NNH2

+H

+ +

NNH

2NH

+N

+

+

+

K3 K4

Ergebnisse und Diskussion: Schon die erste nach 2 Minuten entnommene und präparierte

Probe zeigt im 1H-NMR-Spektrum die statistische Verteilung der N=CH2 – Funktionalität

zwischen deuterierten und nicht-deuterierten Molekülen. Das weist auf eine sehr schnelle

intermolekulare Übertragung der Methylenfunktion hin:

Somit bietet sich noch einen Weg zum Karbokation K4:

Die summarischen Bildungsenthalpien der protonierten Formen der Edukte und Produkte

sind annähernd gleich. Folglich sollte die Gleichgewichtskonstante der CH2+-Übertragung

(Reaktion (XXXIX)) in einem Medium mit höher Säurekonzentration nicht stark vom

Wert 1 abweichen. Unter Beachtung der hohen Geschwindigkeit dieses Prozesses bietet das

eine Erklärung der experimentell beobachteten Äquivalenz der Geschwindigkeitskonstanten

k(24) und k(25) (Kapitel 5.4.5.2) im Fall der Reaktionsdurchführung im wässrigen Medium.

5.4.6.3 Reduktion mit Ameisensäure (AS)

Im Kapitel 5.4.4.1 wurde schon erwähnt, dass nur ca. 30% der in situ gebildeten HCOOH

TMA und M-TMA zu 30 und 31 formyliert. Der Rest kann als Reduktionsagens für die

Kationen K3 und K4 fungieren, was zur Bildung der N-methylierten Produkte führt. De-

tailliertere Informationen zu diesem zur PLÖCHl-Methylierung parallel verlaufenden und

konkurrierenden Prozess wurden in drei Experimenten mit Zusatz von AS ermittelt. Die

Reaktionsbedingungen waren analog derjenigen vom Experiment 48 (Tabelle 5, 1. Zeile).


Abbildung 67: Einfluss von der AS auf die N-Methylierung; Exp.71. Ensatz: [TMA]=6.4 mol/l, [FA0]=0.6 mol/l, [HCl]=0.6 mol/l, [AS0]=0.3 mol/l, [H2O]=2.6 mol/l; T = 70 ºC. Gestrichelte Linie widerspiegelt Kon-zentrationszeitverlauf im Referenzexperiment (Nom. 48)

Experimentelles: Im ersten Experiment (No. 71) wurde AS in einer Menge von einem

halben Äquivalent zum eingesetzten FA dem Reaktionsansatz vor der Zugabe der Fa-

Komponente (Men-TMA – Lösung in TMA) bei T = 70ºC hinzugefügt. Während der Zu-

gabe der Fa-Komponente (Dauer ca 2 Minuten) und bis zu 15 Minuten nachher erfolgte ei-

ne intensive CO2-Entwicklung.

Im zweiten Experiment wurde dieselbe AS-Menge in zwei gleichen Portionen nach dem

Reaktionsstart im Zeitpunkt t = 20 und 50 Minuten dem Reaktionsgemisch hinzugefügt.

Ergebnisse und Diskussion: Der Konzentrationszeitablauf der Reaktionskomponenten ist

auf der Abbildungen 67 und 68 dargestellt.

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0 50 100 150 200 250 300 350

M2-TMA (referenz)

M-TMA (referenz)

M-TMA

M2-TMA

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1

0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

0 50 100 150 200Zeit /min

1/[M

en-T

MA

] /l·

mol

l-1

Referenzexp.


Im ersten Experiment (Abbildung 67) wirkt die in den Reaktionsansatz vorgelegte AS als

ein starkes Reduktionsagens auf das zudosierte Men-TMA und verursacht damit die

sprunghafte Konzentrationszunahme des dimethylierten Produktes – M2-TMA in den ers-

ten 15 Minuten nach der Zugabe von Men-TMA. Nicht so drastisch beschleunigt wird die

Abbildung 68: Experiment Nom. 72: Zugabe von Ameisensäure in zwei Portionen bei der t = 20 min und t = 50 min: – M2-TMA, – M-TMA, – B = [Men-TMA] + 2·[M-TMA] + 4·[M2-TMA]

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0 50 100 150 200 250 300 350

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1

M-TMA

M2-TMA

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 50 100 150 200 250 300 350

Zeit /min

Bila

nz B

/m

ol·l-1


M-TMA – Bildung im Vergleich mit dem Referenz–Experiment No. 48, ca. um den Fak-

tor 2 in der Anfangsperiode, wenn die AS noch im Reaktionsgemisch vorhanden ist. Auf-

fällig ist das schnelle Ansteigen der Konzentration dieser Komponente auch nach dem voll-

ständigen Verbrauch der Ameisensäure. Die Men-TMA – Konzentrationskurve verhält sich

ebenfalls ungleichmäßig: Eine rasche Absenkung in der Anfangsperiode und danach ein

langsamerer Abfall (jedoch wesentlich schneller als im Referenz–Experiment) nach dem

Verbrauch der AS. In diesem Zeitintervall ergibt 1/[Men-TMA] gegen die Zeit aufgetra-

gen annähernd eine Gerade (Abbildung 67 unten), was auf eine Reaktion zweiter Ordnung

bezüglich FA hinweist.

Im zweiten Experiment (No. 72) verursacht die zugegebene AS ebensowie im ersten Expe-

riment ein sprunghaftes Ansteigen der M2-TMA – Konzentration, die nach der zweiten Zu-

dosierung ihr Maximum erreicht. Den sehr schnellen Verbrauch der AS zeigt auch das Ver-

halten der Bilanzvariable B (Abbildung 68 unten). Die maximale Konzentration des

M2-TMA ist etwas größer als in erstem Experiment, wahrscheinlich wegen der schon akku-

mulierten N-CH3 - Funktionalität zum Zeitpunkt der ersten Zudosierung.

Fazit: Diese zwei Experimente zeigen eine wesentlich höhere Reduktionsaktivität der

Ameisensäure im Vergleich mit dem Formaldehyd unter den Bedingungen einer Reaktion

nullter Ordnung bezogen auf TMA (d.h. bei Verwendung des Anilins als Lösungsmittel). Die

Besonderheiten im Verhalten der Hauptkomponenten bedürfen einer Erklärung. Solche Be-

sonderheiten sind zum Beispiel: Das Entstehen eines Maximums mit darauf folgender lang-

samer Absenkung der M2-TMA – Konzentration; die schnelleren als im Vergleichsexperi-

ment Bildung von M-TMA und Verbrauch an Men-TMA. Zur Erklärung sind u.a. die im

Kapitel 5.4.6.1 diskutierten Prozesse der M2-TMA – Spaltung und die katalytische Wir-

kung des M2-TMA auf die Oxidation des Fa (Schema in der Abbildung 64) zu betrachten.

Ein Befund kann zur Zeit jedoch nicht erklärt werden: die überwiegende Bildung des di-

methylierten M2-TMA im Vergleich zu M-TMA. „Von außen“ sieht es so aus, als ob die

Methylierung ohne Zwischenstop (über M-TMA) bis M2-TMA durchläuft oder als ob das

nach dem ersten Reduktionsschritt gebildete Molekül stark aktiviert ist und sofort eine wei-

tere Methylierung eingehen.

Ein klareres Bild liefert die Analyse der Resultate des dritten Experiments, in dem die Isoto-

penmarkierung verwendet wurde. Das Ausgangsreaktionsgemisch wurde mit M-TMA an-

gereichert, als Reduktionsmittel fungierte deuterierte Ameisensäure (AS-d2). Von Interesse


ist in diesem Falle die Verteilung der CH2D-Gruppen zwischen Reaktionsprodukten unmit-

telbar nachdem AS-d2 abreagiert.

Experimentelles (Experiment Nom.97): Dem auf 70 ºC vorerwärmten Reaktionsansatz

aus TMA, M-TMA, Men-TMA und H2O wurde kristallinisches TMA·HCl hinzugefugt

und sofort nach seiner Auflösen (~ 1 min) die deuterierte Ameisensäure in einer Menge von

einem halben Äquivalent zur eingesetzten Fa-Komponente (Men-TMA) zugegeben. In die-

sem Anfangszeitpunkt betrügen die berechnete Konzentrationen der Edukte: [TMA] = 5.2 M,

[M-TMA] = 1.3 M, [FA] = 0.6 M, [HCl] = 0.6 M, [H2O] = 2.6 M, [AS-d2] = 0.3 M. Nach

dem Beenden der CO2-Entwicklung (t ≈ 8 min) wurde die erste Probe, in Reaktionszeit-

punkte t = 15 min und t = 30 min die zweite und die dritte Proben entnommen, wie üb-

lich präpariert und mittels GC-MS und 13C-NMR analysiert. Set-up für die quantifizier-

baren 13C-NMR–Messungen ist im Anhang, Sektion B angegeben.

Ergebnisse: Im Vergleich mit Molekül–Ionenpeak im Massenspektrum des reinen M-TMA

(M M-TMA = 149) treten in dem Massenspektrum der M-TMA – Fraktion aller Proben die

Signale mit m/z = 150 nur mit leicht erhöhter Intensität auf. Das deutet auf die geringe

Konzentration der deuterierten M-TMA – Moleküle in Produktenmasse. Im Gegenteil wei-

sen Massenspektra der M2-TMA – Fraktion (M M2-TMA = 163) auf großen Inhalt an mono-

deuterierten Moleküle, die nach dem intensiven Signal mit m/z = 164 zu erkennen sind

(Abbildung 69). In beiden Fällen ist die qualitative Bestimmung des Anteils der markierten

Produkte jedoch dadurch erschwert, dass die GC-Signale der Isotopomere zwar nicht aufge-

löst sind, sind die deuterierte und nicht deuterierte Spezies innerhalb des GC-Peaks un-

gleichmäßig verteilt: Der hintere Teil (im Bezug auf Retentionszeit) ist vergleichend mit der

vorderen stärker mit deuterierten angereichert.

Es könnte keine Bildung der Moleküle mit zwei CH2D – Gruppen (M = 165) nachgewiesen

werden. Intensitätsverhältnis der Signale mit m/z 165 und 164 im Massenspektrum von

M2-TMA – Fraktion beträgt 0.12. Dieser Wert kann aufgrund der natürlichen Häufigkeit

der 13C-Isotope für die Moleküle mit brutto-Formel C9H16DN vorhergesagt werden und

ist identisch dem Intensitätsverhältnis der Signale mit m/z 164 und 163 im Massenspektrum

von reinem M2-TMA.


Abbildung 69: 70 eV Massenspektra (125 – 170 D Bereich). Oben – reines M2-TMA; unten – M2-TMA – Fraktion des Reaktionsgemisches Exp.3, t = 8 min

128 133 138 143 148 153 158 163 168m/z0

100

%

040407-4 1698 (11.542) Scan EI+ 4.42e6148.1

132.1

131.1146.1

133.1

144.1134.1

163.1

162.1

149.1

160.1

164.1

M+

128 133 138 143 148 153 158 163 168m/z0

100

%

210607-1 1478 (11.444) Scan EI+ 2.40e6164.2

163.2

148.2

132.2

131.1146.1

134.2145.1

149.2

162.2

150.2161.0

154.8

165.2

166.0

M+

Folglich können aufgrund der Chromatomassenspektra folgende qualitative Aussagen bezüg-

lich der Verteilung der CH2D–Gruppen gemacht werden:

1. M-TMA – Fraktion erhält nur geringen Anteil an deuteriertes Produkt;

2. M2-TMA – Fraktion erhält einen erheblichen Anteil an monodeuteriertes Produkt.

Die Konzentration von dideuteriertem Produkt liegt unter Nachweisgrenze.


Abbildung 70: 13C-{1H}-NMR – Spektrum des Reaktionsprodukts; N-CH3 – Bereich. t = 8 min, d1 = 20 s, inverse-gated Entkopplung; CDCl3

δ /ppm

Die quantitative Untersuchung der Zusammensetzung der M2-TMA – Fraktion erfolgte

mittels NMR–Spektroskopie. Während die N-CH3 – Gruppen in inverse-gated 1H-breit-

bandentkoppelten 13C-NMR–Spektren ein Singulett hinterlassen, tritt Signal der N-CH2D –

Gruppe als 1:1:1-Tripplet (J = 20 Hz) auf, mit einem durch Isotopen-Effekt verursachten

geringen Hochfeld–Shift (bez. N(CH3)2 – Gruppen) von ca. 0.3 ppm für N(CH3)(CH2D) –

Kohlenstoffe und von ca. 0.025 ppm für N(CH3)(CH2D) – Kohlenstoffe (Abbildung 70).

Da die Signale im N(CH3)2 –Bereich unzureichend aufgelöst sind, erfolgte Quantifizierung

unter Verwendung der Anpassungs-Routine (Kapitel 2.2.2), was auch wegen des hohen

Rauschniveaus erforderlich war.

Signale der NH(CH2D)–Gruppe der M-TMA liegen im Rausch, was auf ihre sehr niedrige

Konzentration schließen lässt.

42.5043.00 35.5036.00

NH CH3

(d)

NCH

3

CH2D

(b)

(c)

NCH

3

CH3

(a)

(d)

(a) (b)

(c)


Abbildung 71: Experiment Nom. 97: Verlauf der N-Methylierung unter Zugabe von AS-d2. Reaktionsbedingungen sieh im Text

3 2 2

3 0 2 0

[Ar-N(CH )(CH D)] [Ar-NH(CH D)]

[Ar-NH(CH )] [Ar-NH ]≈

2 0 2

3 0 3 2

[Ar-NH ] [Ar-NH(CH D)]

[Ar-NH(CH )] [Ar-N(C H )(CH D)]≈

oder

(30)

wo Ar = 2,4,6-Trimethylphenyl

Ergebnisse der Konzentrationsmessungen sind auf dem Diagramm in Abbildung 71 darge-

stellt.

Diskussion: In dem Ausgangsgemisch liegt TMA in 4-facher Konzentration gegenüber

M-TMA vor. Sollte für die Reaktion mit Ameisensäure (LEUKART-WALLACH - Reaktion)

die Geschwindigkeitskonstanten der ersten und der zweiten Methylierungsstufen von glei-

cher Großenordnung sein, da könnte man folgende Konzentrationsverhältnisse erwarten:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 10 20 30 40

Zeit /min

–NH(CH3)

–N(CH3)2

–N(CH3)(CH2D)

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1


Der linke Quotient in Gleichung (30) gleicht 4, während der maximale Wert von dem rech-

ten nur von Großenordnung 10-1 eingeschätzt werden kann. Das lässt darauf schließen, dass

die Geschwindigkeitskonstante der zweiten Stufe der LEUKART-WALLACH-Methylierung

einige Großenordnungen höher als diese der ersten Stufe ist. Das erklärt die in ersten zwei

Experimenten (Nom. 71 und 72) beobachtete überwiegende Bildung des dimethylierten

Produkts.

Die erste Hypothese, dass die Methylierung ohne Zwischenstop über M-TMA bis ternäres

Amin (M2-TMA) durchläuft, steht im Widerspruch mit dem Befund, dass die M2-TMA –

Fraktion nur geringe Anteil an dideuteriertes Produkt enthält, soll deswegen abgelehnt wer-

den.

Eine quantitative Analyse des Zusammenwirkens der in den letzten drei Kapiteln betrachte-

ten Prozesse könnte es ermöglichen, den Einfluss der HCl – Konzentration und der Tempe-

ratur auf das [M-TMA]/(M2-TMA)–Verhältnis (Kapitel 5.4.4.6.) zu verstehen. Auf der qua-

litativen Ebene scheint folgende Schlussfolgerung stichhaltig: Allgemein ist bekannt, dass

Säuren die Reduktionsfähigkeit der Ameisensäure unterdrücken. Berücksichtigt man weiter

den Befund, dass die Reduktion mit AS vorzugsweise zum dimethylierten Produkt führt (ist

dieser Effekt auch pH–Abhängig?), dann scheint die Wirkung der höheren HCl–

Konzentration in Richtung M-TMA – Bildung (Diagramm in Abbildung 58) erklärbar zu

sein. Andererseits kann die höhere Säurekonzentration (ebenso wie die höhere Temperatur)

zur Beschleunigung der M2-TMA – Spaltung führen (Prozess B–D in Abbildung 65) und

auch dadurch die Zunahme des M-TMA – Anteils verursachen. Eine detaillierte Untersu-

chung solcher Prozesse18) wurde in Rahmen dieser Arbeit nicht durchgeführt, obwohl die

Qualität des Endproduktes der Anilin–Formaldehyd–Kondensation im Bezug auf die Ver-

teilung der N-Methylfunktionalität nicht gleichgültig ist (N,N-dimethylierte Kondensate

sind wesentlich harmloser als monomethylierte).

18) Auch in der Literatur fehlt zur Zeit die zuverlässige Information zur Kinetik der LEUKART-

WALLACH-Alkilierung.


5.4.6.4 Einfluss des Sauerstoffes bei Luftkontakt

Die kinetischen Experimente wurden unter Schutzgas (N2) durchgeführt. Da aber im Produk-

tionskessel ein Kontakt mit Luftsauerstoff nicht ausgeschlossen ist, wurde dessen Einfluss

auf die Reaktionskinetik getestet.

Experimentelles: Im ersten Experiment (Nom. 75) wurde die Reaktion unter den Bedin-

gungen des Referenzexperimentes Nom. 48 (Tabelle 5) durchgeführt, jedoch ohne Schutz-

gas und mit Luftkontakt während der ersten 6 Stunden. Danach wurde mit Luft begast

(~0.5 l/h) und die Reaktionsmischung noch 13 Stunden bei 70 ºC intensiv gerührt. In

zweitem Experiment (Nom. 76) wurde dem Reaktionsansatz unter ähnlichen Bedingungen

ein halbes Äquivalent M-TMA zum eingesetzten Formaldehyd hinzugefügt.

Ergebnisse: Die Konzentrationsdiagramme der Experimente mit Luftbegassung sind in

Abbildungen 72 und 73 dargestellt.

Einfacher Luftkontakt hat nur geringe Wirkung auf die Reaktionskinetik. Vor dem Beginn

der Luftbegasung fallen die Konzentrationslinien der Reaktionsprodukte in dem Experiment

75 und in dem Referenzexperiment Nom. 48 zusammen (Abbildung 72). Eine intensivere

Einwirkung des Luftsauerstoffes durch die Begasung hatte eine Abnahme der M2-TMA–

Konzentration und eine Beschleunigung der M-TMA–Bildung zur Folge. Letztere Verbin-

dung erreichte nach 360 Minuten (720 Minuten Reaktionszeit) eine ca. 1.5-mal höhere

Konzentration als im Referenzexperiment.


Abbildung 72: Verlauf der N-Methylierung bei Luftkontakt. Exp. 75 (durchgezogene Linie) – mit Luftkontakt; Referenzexperiment Nom. 48 (gestrichelte Linie) – ohne Luftkontakt

Abbildung 73: Verlauf der N-Methylierung unter dem Luftkontakt, mit dem Zugabe von M-TMA in den Reaktionsansatz (Exp.76)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0 500 1000 1500 2000

Zeit /min

M2-TMA

M2-TMA (referenz)

M-TMA (referenz)

M-TMA

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1

Beginn der Luftbegassung

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 100 200 300 400 500 600

Zeit /min

Beginn der Luftbegassung

M2-TMA

M-TMA

Kon

zent

ratio

n /m

ol·l-1


M2-TMA TMA(O

2)

+ 2 M-TMA (XL)

(XLI)

M2-TMA CH2(OH)

212

+ +TMA + = 2 M-TMA + HCOOH + H2OO2(XLII)

N NH NHN OH

- H2O

O2+ H+-

H

+

+

Men-TMA

K328

TMA

+ ++

Der Verlauf der Konzentrationskurven und die Materialbilanz des Experiments 75 deuten

auf die Spaltung des M2-TMA in Anwesenheit von Luftsauerstoff hin:

Die Angaben des Experiments 76 liefern einen klaren Nachweis vom Verlauf dieses Prozes-

ses, weil die Konzentrationen der M-TMA und M2-TMA im Vergleich mit Experiment 75

ca. zweimal höher sind.

Merkwürdig ist auch die Dynamik der Men-TMA–Konzentration in diesen Experimenten.

Im Vergleich mit dem Referenzexperiment verlangsamt sich die Verbrauchsgeschwindigkeit

dieser Substanz nach dem Beginn der Begasung mit Luft. Um diesen Befund zu erklären,

wurde ein ergänzendes Experiment durchgeführt, in dem die Luft in eine Mischung aus

TMA – M2-TMA – HCl – H2O (ohne Fa-Komponente) bei 70ºC eingeleitet wurde. Die

Analyse der entnommenen Proben belegte die Bildung des Men-TMA und des M-TMA in

niedriger Konzentration. Folglich kann das „anomale“ Verhalten des Men-TMA in den Ex-

perimenten 75 und 76 durch die Oxidation von M2-TMA mit O2 erklärt werden:

Zeitgleich macht dieser Mechanismus die Spaltung des M2-TMA (Reaktion (XL)) erklär-

lich, da die generierten Karbokationen K3 mit Fa zu noch einem M-TMA – Molekül wei-

terreagieren können (Abb.61, Reaktion (XXXV)). Die stöchiometrische Gleichung des Pro-

zesses (XL) hat damit folgende Form:

Die Einwirkung des Luftsauerstoffs verändert also nicht den brutto-N-CH3-Gehalt im Reak-

tionsgemisch, sondern führt zur Vergrößerung der M-TMA–Fraktion auf Kosten von

M2-TMA–Fraktion. Dieser Prozess läuft unter realen Produktionsbedingungen nur im gerin-

gen Maß ab und kann deswegen bei der Modellierung vernachlässigt werden.


5.4.6.5 NMR-Spektroskopischer Nachweis der Zwischenprodukte

Die 1H-NMR-Spektren der CDCl3-Extrakte des neutralisierten Reaktionsgemisches („Ex-

traktionsverfahren“) bestätigen die Bildung der Schiffschen Base 27 als Zwischenprodukt

der PLÖCHL-Methylierung, sagen aber nichts darüber aus, in welcher Form (oder Formen)

dieses unter Reaktionsbedingungen existiert.

Deswegen wurde versucht, die Information über die Struktur der Zwischenprodukte aus den

unmittelbar vom Reaktionsgemisch aufgenommenen NMR-Spektren zu gewinnen. Um die

intensiven Resonanzen der OH- und NH-Protonen zu unterdrücken, wurden in diesen Ex-

perimenten Wasser und TMA durch D2O und TMA-d2 ersetzt.

Wie in Kapitel 5.1.1 aufgrund der Extraktionsexperimente angenommen wurde, bildet ein-

gesetzter Fa im TMA-reichen säurefreien Medium teilweise (~50 %) Men-TMA, teilwei-

se ist es in Form freier Methylenglykol-Oligomere vorhanden (Tabelle 4, Experiment 3). In

den 1H-Spektren deuten darauf ein Singulettcluster bei δ ≈ 4.5 ppm und zwei Dublette von

N=CH2 im schwachen Feld hin. Diese sind, obwohl wesentlich verbreitert wegen der hohen

Viskosität des Reaktionsmediums, völlig analog denen im Spektrum von Men-TMA in

CDCl3-Lösung. Die zudosierte Salzsäure in einer Menge von 0.2 Mol-% des FA bewirkt

zunächst eine Degradation der Feinstruktur der N=CH2 – Dublette (Abbildung 74). Mit der

Erhöhung der Säurekonzentration auf 35 mmol/l (5 Mol-% des eingesetzten FA) ver-

schmelzen diese in einen breiteren Hügel mit einer Verschiebung zum stärkeren Feld. Das

Bild ist ähnlich zu demjenigen in der Abbildung 51, t = 10 min (S. 100), das bei einer we-

sentlich höheren Säurekonzentration (0.6 mol/l) und Temperatur (70 ºC) aufgenommen wur-

de:


Abbildung 74: Transformation der N=CH2 – Signale in Abhängigkeit von Säurekonzentrati-on. TMA-reiches Medium; [TMA] : [FA] = 10 : 1; T = 25 ºC

Es ist anzumerken, dass diese Metamorphose der N=CH2 – Signale völlig reversibel ist.

Die schon bei sehr niedrigen Säurekonzentration beobachtete starke Verbreiterung der

N=CH2–Signale (mittleres Spektrum in Abbildung 74) geht offensichtlich auf die freie Ro-

tation der Methylengruppe in Kation K3 und auf den schnellen intermolekularen Protonen-

austausch zurück. Die vollständige Koaleszenz dieser Resonanzen bei weiterer Erhöhung der

Säure- und Wasserkonzentration (rechtes Spektrum) wird vermutlich durch das Einstellen

des „schnellen“ Gleichgewichts zwischen dem Men-TMA und dem oligo-Methylen-glykol

(Abbildung 61, Reaktion (XXXIII)) verursacht. Das Signalcluster der letzteren Komponente

verschiebt sich dabei ins schwache Feld bis zur vollständigen Fusion mit dem breiten Singu-

lett von Men-TMA, was zum Spektrum, dargestellt in Abbildung 51, führt.

Diese spektroskopische Angaben schließen jedoch eine andere Interpretationsmöglichkeit

nicht aus: Die Bildung des Karbinols 32 gemäß der reversiblen Reaktion (XXXIV) (Ab-

bildung 61, S.125), was zu einer ähnlichen Dynamik der betrachteten Signale führen sollte.

Die N-CH2OH–Signale von 32 könnten in diesem Fall sehr nahe bei den Signalen der

Fa-Oligomere liegen, was mittels einer Spektrensimulation bestätigt wurde. Die Situation ist

noch dadurch verkompliziert, dass die Zuordnung der einzelnen Linien zu den Fa-Oligo-

meren oder zum Karbinol 32 große Schwierigkeiten bereitet.

7.508.00 7.007.508.00 4.505.005.506.006.50

[HCl] = 0 [HCl] = 1.4 mmol/l [FA]/[HCl] = 500 [D2O] = 0.3 mol/l

[HCl] = 35 mmol/l [FA]/[HCl] = 20 [D2O] = 1.5 mol/l

δ /ppm


Abbildung 75: Transformation der Ar-CH3 – Signale in Abhängigkeit von Säurekon-zentration. – TMA; – ein Zwischenprodukt (Men-TMA oder Karbinol 24)

Die Analyse des Ar-CH3–Bereichs der 1H-Spektren liefert auch keine eindeutige Informa-

tion zur Struktur der Zwischenprodukte. Zwei dominante Resonanzen des TMA und die da-

zwischen liegenden Singuletts eines Zwischenprodukts verschmelzen in Gegenwart der Säu-

re, wie es in Abbildung 75 dargestellt wird. Die mittleren Signale können hier entweder dem

Men-TMA oder dem Karbinol 32 zugeordnet werden. Im letzteren Fall sollten die „feh-

lende“ Signale des Men-TMA mit den Singuletts des TMA zusammenfallen, was wegen

des schnellen Methylen-Austausches zwischen diesen Komponenten in Gegenwart der Säu-

re zu erwarten ist (Kapitel 5.4.6.2).

Die Anwendung der Online-Technik bei der Reaktionsdurchführung im wasserreichen Me-

dium ermöglicht es, die schnelle erste Stufe der Reaktion zu beobachten. Die sofort nach der

Fa-Zugabe entstandenen Singulette im Ar-CH3–Bereich (Abbildung 76, rechts) können nur

den schwer fassbaren primeren TMA-Fa–Addukten, die verschieden von Men-TMA sind,

zugeordnet werden. Die summarische Intensität dieser neuen Signale korreliert mit der Inten-

sität der N=CH2–Dubletten in Spektren der mittels Extraktionsverfahren aufarbeiteten Pro-

ben.

2.302.402.502.602.70 2.302.402.502.602.70

[HCl] = 0 [HCl] = 35 mmol/l

δ /ppm δ /ppm


Abbildung 76: Online Beobachtung der Signale von primären Addukten (gekennzeich-net mit den Pfeilen) im wasserreichen Medium. Rechts – Ar-CH3, links – X-CH2-Y – Ausschnitte. [TMA0] = 0.22 M, [HCl] = 2.5 M, [FA0] = 4.5 M, T = 70ºC, t = 3 min

Die Verfolgung der Dynamik dieser Resonanzen bereitet Schwierigkeiten, weil die Signale

der Reaktionsendprodukte (M-TMA, M2-TMA, F-TMA) in den gleichen Bereich fallen

und die interessierenden Linien überlappen.

Die Resonanzen der Methylenprotonen verschwinden normalerweise unter den dominanten

Signalen des Fa und des Wassers. Die Unterdrückung der Letzteren auf dem Spektrum in

Abbildung 76 mittels H–D – Substitution bringt Methylenresonanzen zum Vorschein (ver-

mutlich des Karbinols 32), die aber kaum quantifizierbar sind.

Zusammenfassung: Die Analyse der 1H-NMR-spektroskopischen Daten ermöglicht fol-

gende Schlussfolgerungen bezüglich der Bildung der Zwischenprodukte:

– im anilinreichen säurefreien Medium bildet Fa zunächst eine Schiffsche Base -

Men-TMA 27. Dieses wandelt sich in Gegenwart schon geringer Säure- und Wasser-

mengen in eine vollkommen andere Struktur um, was im 1H-Spektrum zur Verbrei-

tung, Koaleszenz und Verschiebung der N=CH2 – Dublette in das stärkere Feld führt.

2.202.302.402.502.605.005.506.00

.S

Trioxan

.S

Fa Wasser

δ /ppm


– im wasserreichen Medium entstehen zur Zeit nicht identifizierte primäre TMA-Fa-

Addukte (vermutlich zwei, siehe Abbildung 76) sofort nach dem Fa-Einmischen. Sie

erscheinen als neue Resonanzen im Ar-CH3–Bereich und als ein schwaches Singulett

auf der Flanke des Methylenglykols.

– das Extraktionsverfahren bei der NMR-Analyse wandelt alle Zwischenprodukte quan-

titativ in Men-TMA um.

Alle diese Erscheinungen können im Rahmen des im Schema in Abbildung 61 eingezeich-

neten Reaktionsmechanismuses interpretiert werden, liefern jedoch keine eindeutige Infor-

mation zur Struktur der Zwischenprodukte. Im Sinne der Aufklärung des Reaktionsmecha-

nismus könnten solche Angaben die im Kapitel 5.4.5.1 zwecks Interpretation der

experimentellen Ergebnisse gemachten Annahmen bestätigen (oder auch nicht). Eine Aufklä-

rung gelang leider nicht.

152 6 Zusammenfassung

6 Zusammenfassung

Die Bildung des reaktionskinetischen Modells der Anilin-Formaldehyd-Kondensation erfor-

dert ausführliche Information zum Reaktionsmechanismus, zur Kinetik der Teilreaktionen

sowie zum Phasenverhalten des reagierenden Systems. Trotz des jahrzehntelangen erfolgrei-

chen Einsatzes dieses Prozesses in der Industrie ist das komplexe Reaktionssystem nicht

vollständig verstanden, auch weil keine geeigneten analytischen Messverfahren zur Verfu-

gung standen. Ein in der Literatur diskutierter Reaktionsmechanismus stütz sich im wesentli-

chen nicht auf die experimentelle Daten, sondern lediglich auf die „allgemeine chemische

Kenntnisse“, trägt deswegen eher Charakter von einer Hypothese. Jedoch wurde es in dieser

Arbeit gezeigt, dass die Analyse der auf solcher Weise „simulierten“ Teilreaktionen die qua-

litativen Aussagen über den Einwirkung der Prozessparameter auf Reaktionsablauf ermög-

licht. Es erfolgte ein Vergleich mit den entsprechenden experimentellen Angaben der Patent-

literatur.

Mit der NMR-Spektroskopie steht ein Messverfahren zur Verfugung, das Messungen der

wahren Spezieskonzentrationen und ihre Identifikation in technischen Mischungen ermög-

licht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde Eignen der unterschiedlichen NMR-

Experimente als analytisches Verfahren zur reaktionskinetischen Untersuchung überprüft. Je

nach den Kondensationsbedingungen und der Art der abgezielten Information haben sich 1H- und 13C-DEPT Experimente in der diskontinuierlichen und der Online Varianten als

zweckmäßig erwiesen. Erstmalig wurde die qualitative Aussagekraft der DEPT-Messungen

verifiziert.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine primäre Information über Komponentenver-

teilung in der zweiphasigen Reaktionsmischung gewonnen. Es lassen sich zwei wichtige

Schlussfolgerungen ziehen: 1) Der bei vielen Autoren formulierte Reaktionsmechanismus, in

dem als Zwischenprodukte ausschließlich o- und p-ABA auftreten, kann nicht adäquat den

Reaktionsverlauf im Falle eines „produktionstypischen Ansatzes“ beschreiben. Dieser sollte

mindestens noch um eine Stufe, die Bildung des oligo-ABA’s, ergänzt werden; und 2) Die

beiden Umlagerungsstufen des Kondensationsprozesses laufen hauptsächlich in der organi-

Zusammenfassung 153

schen Phase ab. Der Prozess der N-Methylierung läuft im wesentlichen Grad auch in der

wasserreichen Phase. Systematisch wurden die Phasengleichgewichte im ternären System

Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei der Temperaturen 40 ºC, 60 ºC, 80 ºC, 90 ºC un-

tersucht.

Die Nebenreaktion der N–Methylieryng wurde in dieser Arbeit am Beispiel der säureindu-

zierten Reaktion zwischen 1,3,5-Mesidin und Formaldehyd untersucht. Es wurde nachge-

wiesen, dass das TMA-haltige System zufriedenstellend adäquat das An-haltige modelliert.

Die 1H-NMR-Spektroskopie wurde verwendet, um die Kinetik dieser Reaktion zu erfassen

und um deren Mechanismus aufzuklären. Die zuverlässigen Daten liefert das „Extraktion“-1H-NMR-Experiment bei der Reaktionsdurchführung in der organikreichen Phase, das Onli-

ne-Experiment bewährtet sich bei der Reaktionsdurchführung in der wasserreichen Phase.

Die beiden Experimente ermöglichen es, alle wichtigen Komponenten des Reaktionsgemi-

sches zu identifizieren und zu quantifizieren.

Die Untersuchung der N-Methylierung wurde hauptsächlich auf den anilinreichen Konzent-

rationsbereich fokussiert. Es wurde eine Reaktion zweiter Ordnung bez. Fa, erster Ordnung

bez. HCl] und nullter Ordnung bez. H2O gefunden. Die Arrheniussche Aktivierungsener-

gie und der Präexponent für die Geschwindigkeitskonstante dritter Ordnung wurden berech-

net.

Es konnte einen autokatalytischen Charakter der N-Methylierungsreaktion nachgewiesen

werden. Das M2-TMA/M-TMA–Verhältnis ist sowohl von der Temperatur als auch von der

Säurekonzentration abhängig. Vermutlich kann das durch die katalytische Spaltung des

M2-TMA’s erklärt werden.

Die in situ gebildete Ameisensäure wurde großenteils als Reduktionsagents in der

N-Methylierung verbraucht. Die dabei beobachtete überwiegende Bildung des Dimethylderi-

vats, sowie dessen Rolle in der M2-TMA/M-TMA–Verteilung wurde nicht aufgeklärt.

Ein Luftkontakt inhibiert in geringem Maß die N-Methylierung durch die Rückoxidation

der Produkte.

154 6 Zusammenfassung

In wasserreicher Phase liegt eine Reaktion zweiter Ordnung bez. FA und erster Ordnung

bez. TMA vor. Zuverlässige Daten zur Reaktionsordnung bez. HCl fehlen zurzeit. Die Ge-

schwindigkeitskonstanten von der ersten und zweiten Methylierung sind annährend gleich.

Eine Aussage zur Kompatibilität der beobachteten Geschwindigkeitskonstanten in anilinrei-

cher und in wasserreicher Phase ist dadurch erschwert, dass die Daten zu den Aktivitätskoef-

fizienten von HCl und H2O in anilinreicher Phase fehlen.

Anhang A 155

Tabelle A1: Flüssig-flüssig Gleichgewichte im System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei T = 40 ºC.

Tabelle A2: Feststofflöslichkeitsgrenze im System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei T = 40 ºC.

A Phasenverhalten des Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser-Systems.

Experimentelle Ergebnisse

xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,95 0 0,05

2 0 0,85 0,15

3 0,46 0,31 0,23

4 0,12 0,65 0,23

5 0,26 0,49 0,25

x'An

(mol/mol)

x'H2O

(mol/mol)

x'An·HCl

(mol/mol)

x''An

(mol/mol)

x''H2O

(mol/mol)

x''An·HCl

(mol/mol)

p An·HCl

(M/M)

c''An·HCl

(mol/kg)

1 0,72 0,28 0 0,01 0,99 0 0

2 0,648 0,34 0,012 0,012 0,98 0,008 2,29 0,40

2 0,62 0,36 0,022 0,015 0,97 0,015 2,20 0,72

3 0,52 0,45 0,034 0,02 0,96 0,023 1,89 1,05

4 0,483 0,48 0,037 0,014 0,96 0,027 1,93 1,22

5 0,36 0,6 0,047 0,017 0,95 0,033 1,54 1,44

6 0,26 0,68 0,062 0,038 0,92 0,042 1,18 1,64

156 Anhang A

Tabelle A3: Flüssig-flüssig Binodalkürve im System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei T = 40 ºC.

xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,01 0,98 0,01

2 0,01 0,97 0,02

3 0,02 0,95 0,03

4 0,06 0,9 0,04

5 0,12 0,84 0,04

6 0,11 0,84 0,04

7 0,17 0,78 0,05

8 0,07 0,89 0,04

9 0,12 0,84 0,04

10 0,23 0,73 0,05

11 0,07 0,9 0,04

12 0,2 0,75 0,05

13 0,19 0,76 0,05

Anhang A 157



x'An

(mol/l)

x'H2O

(mol/l)

x'An·HCl

(mol/l)

x''An

(mol/l)

x''H2O

(mol/l)

x''An·HCl

(mol/l)

pAn·HCl

(M/M)

c''An·HCl

(mol/kg)

1 0,71 0,29 0 0,02 0,98 0 0

2 0,696 0,29 0,016 0,011 0,98 0,009 2,04 0,454

3 0,655 0,32 0,025 0,024 0,96 0,015 1,96 0,699

4 0,585 0,37 0,046 0,024 0,95 0,026 1,67 1,145

5 0,321 0,63 0,049 0,046 0,92 0,034 1,31 1,347

xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0 0,79 0,21

2 0,89 0 0,11

3 0,34 0,39 0,27

4 0,13 0,62 0,25

5 0,77 0,2 0,03

6 0,09 0,66 0,24

158 Anhang A


xAn

(mol/l)

xH2O

(mol/l)

xAn·HCl

(mol/l)

1 0,01 0,98 0,01

2 0,02 0,96 0,02

3 0,03 0,94 0,03

4 0,08 0,89 0,04

5 0,16 0,8 0,04

6 0,36 0,61 0,04

7 0,01 0,97 0,01

8 0,02 0,95 0,03

9 0,05 0,92 0,03

Anhang A 159


Tabelle A8: Feststofflöslichkeitsgrenze im System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei T = 80 °C.

x'An

(mol/l)

x'H2O

(mol/l)

x'An·HCl

(mol/l)

x''An

(mol/l)

x''H2O

(mol/l)

x''An·HCl

(mol/l)

pAn·HCl

(M/M)

c''An·HCl

mol/kg)

1 0,72 0,28 0 0,01 0,99 0 0

2 0,69 0,30 0,014 0,022 0,97 0,008 1,98 0,389

3 0,65 0,33 0,024 0,025 0,96 0,015 2,00 0,696

4 0,59 0,38 0,034 0,03 0,95 0,021 1,80 0,929

5 0,52 0,44 0,046 0,045 0,93 0,025 1,40 1,035

xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,89 0 0,11

2 0 0,72 0,28

3 0,1 0,61 0,29

4 0,36 0,37 0,27

5 0,03 0,67 0,3

6 0,29 0,4 0,31

7 0,54 0,22 0,24

160 Anhang A


xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,02 0,97 0,01

2 0,02 0,97 0,01

3 0,03 0,95 0,03

4 0,04 0,94 0,02

5 0,08 0,89 0,03

6 0,04 0,95 0,01

7 0,02 0,96 0,03

8 0,04 0,93 0,03

9 0,13 0,84 0,03

Anhang A 161



x'An

(mol/mol)

x'H2O

(mol/mol)

x'An·HCl

(mol/mol)

x''An

(mol/mol)

x''H2O

(mol/mol)

x''An·HCl

(mol/mol)

P An·HCl

(M/M)

c''An·HCl

(mol/kg)

1 0,69 0,31 0 0,02 0,98 0 0

2 0,656 0,33 0,014 0,033 0,96 0,007 1,62 0,329

3 0,631 0,34 0,029 0,036 0,95 0,014 1,49 0,629

4 0,61 0,37 0,038 0,04 0,94 0,02 1,55 0,861

5 0,518 0,44 0,048 0,046 0,93 0,024 1,29 0,995

xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,85 0 0,15

2 0 0,61 0,39

3 0,26 0,39 0,35

4 0,55 0,17 0,28

5 0,33 0,34 0,33

162 Anhang A


xAn

(mol/mol)

xH2O

(mol/mol)

xAn·HCl

(mol/mol)

1 0,02 0,96 0,01

2 0,04 0,94 0,02

3 0,03 0,94 0,02

4 0,12 0,85 0,03

Anhang A 163

Abbildung A1: Flüssig-flüssig und Flüssig-fest Gleichgewichte im System Anilin-Anilinhydrochlorid-Wasser bei T = 40 ºC.

H2O0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AnHCl

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

An

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

LLE

Binodalkurve

SLE

mol%

164 Anhang A


mol%

H2O0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AnHCl

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

An

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

LLE

Binodalkurve

SLE

Anhang A 165


mol %

H2O0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AnHCl

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

An

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

LLE

Binodalkurve

SLE

166 Anhang A


mol %

H2O0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AnHCl

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

An

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

LLE

Binodalkurve

SLE

Anhang A 167

B Experimentelle Sektion

NMR – Spektroskopie: Die NMR-Spektren in Röhrchen wurden mit einem UNITY

INOVA 400 Gerät der Firma VARIAN in einem Standard-Röhrchenprobenkopf gemessen.

Die 13C-Spektren in CDCl3 sind auf das Signal bei 78 ppm, die 1H-Spektre auf TMS refe-

renziert worden. Die Zuordnung der Signale bei den Spektrenaufnahme im Lösungsmittel

erfolgte durch Aufstockungsexperimente. Die Signalzuordnung in Flow-Spektren erfolgte

weiter anhand von direktem Vergleich den entsprechenden Spektren in CDCl3 und Konsis-

tenzkriterium.

Die Aufnahme der herkömmlichen 400 MHz - 1H-Spektren in Röhrchen erfolgte unter

Einstellung folgenden Akquisitionsparameter: Spektralbreite 15 ppm (6000 Hz), Akquisi-

tionszeit 3.7 s mit Zero-Filling auf 10.1 s, was eine digitale Resolution von 0.09 Hz er-

gab. Es wurden in der Regel 16 – 64 Scans akkumuliert mit einem Repetitionsintervall von

8 s. Die 13C- und

13C-DEPT-90– Spektren wurden in Bandbreite von 240 ppm (24.1 kHz)

akquiriert unter Einstellung der Transmitterfrequenz auf 100 ppm, was ein uniformes Anre-

gungsprofil im Spektralbereich der zu quantifizierenden aromatischen 13C-Kerne gewähr-

leistete. Die Akquisitionszeit betrug 1.2 s, der Repetitionsintervall 12 s in den 13C- und 8 s in den 13C-DEPT-90–Experimenten. Die Daten wurden mit π/2-verschobenen

Sine-Bells und einem Zero-Filling auf 2.7 s prozessiert, was eine digitale Resolution von

0.37 Hz ergab. Die Kalibrierungsparameter der Pulse für die DEPT-Experimente wurden in

Vormessungen mit dem Modellgemisch An–An·HCl–D2O–4,4’-MDA(5 mol%) bei 70 ºC

festgestellt.

Die Experimente mit Online-Flow-NMR-Messungen wurden in einem mobilen Abzug

durchgeführt, der in ca. 2.2 m Entfernung zum NMR-Magnet aufgestellt wurde. Die Taug-

lichkeit von solcher Laborinfrastruktur wurde bei Maiwald et al. [83, 91] diskutiert. Als Re-

aktionsgefäß C1 (Abbildung 27) diente ein 300 ml–Ummantelreaktor aus Glas mit KPG-

Rührer, Innenthermometer und Stickstoffeinlass. Als Dekanter D1 wurde ein

25 ml–Glasgefäß verwendet, der mit Innenthermometer und beweglichem Saugheber vorge-

sehen wurde. Der Probentransport erfolgte mit HPLC-Doppelkolbenpumpen (P1 - P3) mit

temperierten Köpfen aus Hasteloy C. Ein Festteilchenfilter F1 hatte Porengroße 10 µm. Für

die Verbindung mit NMR-Gerät wurden temperierte Leitungen aus PEEC (Polyetherether-

keton) mit Innendurchmesser 0.75 mm verwendet. Der 3-Kern-Microflow-Inversmesskopf

der Firma VARIAN wurde mit einer eingebauten temperierten

168 Anhang A

120 µl–Durchflusszelle mit 95 µl aktivem Volumen ausgerüstet. Die Flussrate in Experi-

menten mit Phasentrennung betrug: P1 – 2 ml/min, P2 – 7 ml/min, P3 – 5 ml/min; in Expe-

rimenten ohne Phasentrennung: P1 – 6 ml/min.

GC-MS Spektren: Diese wurden mit einem PERKINELMER CLARUS 500 Gerät gemessen.

Säule: HP-5 MS, l = 30m, Durchmesser 0.25 mm, s = 0.25 mkm. EI-Mode, E = 70 eV.

KF-Titration: Diese wurden mit einen KF-TITRINO 701 Gerät in Methanol als Lösungs-

mittel durchgeführt; Einkomponentenreagenz HYDRANAL-Composite 5.

Flashsäulechromatographie: auf dem Kieselgel der Firma MERCK (Typ 60, Korndurch-

messer 0.063 bis 0.200 mm).

Chemikalien: Folgende Chemikalien wurden ohne Vorbehandlung direkt eingesetzt: Salz-

säure (30%, MERCK); Formaldehydlösung (BASF, methanolarmes, 30%), Paraform

(BASF). Käuflich erworbene Anilin und Mesidin wurden i.V. destilliert, über NaOH ge-

trocknet, unmittelbar vor dem Einsatz nochmalig destilliert. Käuflich erworbenes Anilinhyd-

rochlorid wurde aus Ethanol unter Zugabe von Aktivkohle umkristallisiert, danach im Vaku-

um getrocknet.

Versuchsvorschriften/spektroskopische Daten

Die Säureinduzierte Reaktion von 1,3,5-Trimethylanilin und Formaldehyd

In einem 250-ml Vierhalskolben mit Innenthermometer, Rührer und Rückflusskühler wurde

ein Gemisch aus 40 g 1,3,5-Trimethylanilin (300 mmol), 17 g Trimethylanilin Hydrochlorid

(100 mmol) und 20 g 30%-igem Formalin (200 mmol) 20 h bei 70 ºC gerührt. Nach dem

Abkühlen wurde in 150 ml 2N-NaOH ausgegossen, sorgfältig gerührt und mit 3x200 ml

Diäthyläther (EE) ausgeschüttelt. Das Solvens wurde i.Vak. abgezogen und der dunkle ölige

Rückstand wurde mittels NMR und DC analysiert, i.Vak. destilliert. Nach einem geringem

Vorlauf ging beim Sdp. 100-110 °C/10 mbar ein Destillat als farbloses Öl über, das aus

Anhang A 169

N O

C11H15NO

M = 177.2

Gelbes Öl, nach dem Destillation (Sdp. 124-126 ºC/2mbar) –

schmelzende bei Raumtemperatur farblose Kristalle

N OC10H13NO

M = 163.2

Farblose Kristalle aus EtOH (80%); Schmp. 181-182 ºC

(Lit [104]: Schmp 178-179 ºC (aq. ethanol))

TMA (79 mol%), M-TMA (16 mol%) und M2-TMA (5 mol%) bestand. Dieses wurde wei-

ter nicht bearbeitet.

Ein halbkristalliner Rückstand wurde direkt an SiO2 chromatographisch aufgetrennt

(PE/EtOAc=5/1). Die zwei Hauptkomponenten mit Rf 0.3 und 0.1 sind N-Methyl-N-(2,4,6-

trimethylphenyl)formamid (0.8 g) und N-(2,4,6-trimethylphenyl)formamid (2,3 g).

N-Methyl-N-(2,4,6-trimethylphenyl)formamid

(Lit. [103]: Sdp. 131-133 ºC/2mm; Schmp. 49-50 ºC) 1H-NMR (CDCl3): δ = 8.20(s)+7.95(s) – CHO; 6.90(s) – 3-H, 5-H; 3.12(s)+3.05(s) –

N-CH3; 3.25(s) – 4-(CH3); 2.23 – 2,6-(CH3).

N-(2,4,6-trimethylphenyl)formamid

1H-NMR (CDCl3): δ = 8.35(d, J=1.6 Hz)+8.00(d, J=12 Hz) – CHO; 7.0-7.2 – NH;

6.89(s)+6.86(s) – 3-H, 5-H; 2.25(s)+2.22(s) - 4-(CH3); 2.23(s)+2.18(s) - 2,6-(CH3).

170 Anhang A

NC10H13N

M = 147.2

Farblose Kristalle; Schmp. 83-86 ºC

N-Methylen-2,4,6-trimethylanilin

Eine Suspension aus 10 g TMA (75 mmol) und 30 g Paraformaldehyd (~1000 mmol be-

rechnet auf CH2O) in 300 ml CCl4 wurde 2 h unter Rückfluss gerührt. Der Rückflussküh-

ler wurde gegen eine Destillationsbrücke ersetzt und 150 ml CCl4–H2O–Mischung abdes-

tilliert. Es wurde 150 ml frisches CCl4 hinzugefügt und die ganze Prozedur noch dreimal

wiederholt, so dass das letzte Destillat keine H2O–Trübheit enthielt. Der Überschuss von Pa-

raformaldehyd wurde nach dem Abkühlen abgenutscht, CCl4 abgetrieben und dere gelbe

ölige Rückstand i.Vak. destilliert. Das Produkt mit Sdp. 76-78 ºC/10 mbar erstarrte sofort

in der Vorlage.

Ausbeute: 6.2 g (57%).

1H-NMR (CDCl3): δ = 7.73(d, J=18 Hz) – N=CH; 7.36(d, J=18 Hz) – N=CH;

6.85 (s) – 3-H, 5-H; 2.25(s) - 4-(CH3); 2.06(s) – 2,6-(CH3). 13C{1H}-NMR (CDCl3): δ = 157 – N=CH2; 149 – 1-C; 133 – 2,6-C; 129 – 3,5-C;

126 – 4-C.

Entsprechend wurden aus 2.0 g TMA-d9 und 12 g Paraformaldehyd 1.2 g Men-TMA-d9

synthetisiert.

N-Methylen-2,4,6-trimethylanilin – Lösung in TMA

Eine Mischung aus 50 g TMA (370 mmol) und 6.0 g Paraformaldehyd (200 mmol) wurde

3 h bei 90 ºC (Badtemp.) gerührt. Nach dem Abkühlen wurde das Reaktionsgemisch mit

500 ml Diethylether versetzt, filtriert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem

Etherabtreiben wurde ohne Fraktionierung i.Vak. destilliert. Das Destillat (46 g) ist laut 1H-NMR eine Mischung von Men-TMA und TMA (1:1, mol) und wurde als FA-Quelle in

den kinetischen Experimenten verwendet.

Anhang A 171

O

ClO4

+

-

C8H11O5Cl

M = 222.6

Farblose Kristalle; Schmp. 240 ºC (dekomp.) [105]

OD3C

CD3

CD3

ClO4

+

-C8H2D9O5Cl

M = 231.6

Farblose Kristalle; Schmp. 240 ºC (dekomp.) [106]

2,4,6-Tri-d3-methylanilin.

1. 2,4,6-Trimethylpyrilium Perchlorat (nach [105])

228 ml Essigsäureanhydride (246 g, 2,41 mol) wurden in einer Dreihalskolben mit KPG-

Rührer, Innenthermometer und Tropfentrichter vorgelegt und auf 5 °C erkühlt. Unter gu-

tem Rühren und Kühlen (Innentemperatur soll unter 10 °C bleiben) wurden 58 g (0.4 mol)

70%-iger HClO4 innerhalb von 1 h hinzudosiert und weitere 2 h bei Raumtemperatur ge-

rührt.

58 ml Aceton (46g, 0.8 mol) wurden innerhalb von 15 Minuten unter kräftigem Rühren zu-

getropft und noch 3 h weitergerührt (nach 2 h steigt die Temperatur auf 50 °C und fing

das Ausfallen von 2,4,6-Trimethylpyrilium-Perchlorat an). Das Reaktionsgemisch wurde

noch 40 h bei Raumtemperatur stehen lassen.

Das ausfallende bräunliche Pyrylium-Salz wurde dann abgenutscht, mit einer 1:1–Mischung

von Essigsäure und Ethylether auf dem Filter gewaschen und aus 60 ml 2%-iger HClO4 un-

ter Zugabe von Aktivkohle umkristallisiert, danach im Vakuum getrocknet

Ausbeute: 19 g (21%); farbloses Produkt, Schmp. 244 ºC (dekomp.)

2. 2,4,6-Tri -d3-methylpyrilium-Perchlorat (nach [106])

Das getrocknete nichtdeuterierte Perchlorat (32 g, 144 mmol) wurde in 100 ml D2O (5 mol)

1 h unter Rückfluss erwärmt. Nach dem Abkühlen auf 5 ºC wurde das ausgefallenes Salz

abfiltriert, mit kaltem Ethanol gewaschen und i.Vak. getrocknet. Diese Prozedur wurde

noch dreimal wiederholt. Das 1H-NMR zeigte dann eine ca. 90%-ige Deuterierung der Me-

thylgruppen und eine 20%-ige Deuterierung des Kernes an.

Ausbeute: 30 g (90%). Schmp. 238 ºC (dekomp.)

172 Anhang A

D3C

CD3

CD3

NO2

C9H2D9NO2

M = 174.3

Farblose Kristalle; Schmp. 41-42 ºC [107]

D3C

CD3

CD3

NH2

C9H4D9N

M = 144.2

Farbloses Öl; Sdp.. 90 ºC/7 torr [106]

3. d9-Nitromesitylen (nach [107])

27 g 2,4,6-Tri-d3-methylpyrilium-Perchlorat (116 mmol) wurden in 100 ml kochendes Nit-

romethan unter Rühren gelöst und portionsweise min einer warmen Lösung von 13.8 g

Natriummethylat (255 mmol) in 300 ml absol. EtOH versetzt. Es wurde weiter 20 Minu-

ten unter Rückfluss erwärmt, danach in 1 l Wasser/Eis gegossen und 4x300 ml Petrol-

ether (hochsied.) extrahiert. Der Extrakt wurde weiter mit 300 ml 20%-iger Natronlauge

durchgeschüttelt, über MgSO4 getrocknet und der Rückstand nach dem Abtreiben des Lö-

sungsmittels – ein rotes Öl i.Vak. destilliert; Sdp. 87-90 ºC/5 mbar. Das Destillat starrte

teilweise bei der Raumtemperatur. Die kristalline Fraktion besteht aus reinem Produkt. Die

flüssige Fraktion des Destillats wurde abgesaugt und ergänzend chromatographisch gereinigt:

SiO2/PE-EtOAc=30:1. Das vereinigte Produkt wurde in der nachfolgenden Stufe eingesetzt.

Ausbeute: 14.8 g (73%); Schmp. 42-43 ºC

4. 2,4,6-Tri-d3-methylanilin (nach [106])

8.5 g d9-Nitromesitylen (50mmol) wurden in 100 ml EtOH gelöst und 16.0 g Zn-Pulver

(250 mmol) wurden zugegeben. Man kühlte auf -10 ºC (CO2-Aceton Bad), tropfte danach

20 ml Essigsäure (340 mmol) innerhalb von 1 h unter kräftigen Rühren zu, so dass die In-

nentem-peratur nicht über 5 ºC anstieg. Nach beendeter Zugabe rührte man weitere 5 h bei

3-8 ºC, danach wurde in 200 ml 10%-ger NaOH (500 mmol) gekippt und die Mischung mit

3x200 ml Petrolether (tiefsied.) extrahiert Der ölige Rückstand nach dem Abtreiben des E-

thers wurde i.Vak. destilliert. Das bei 80-88 ºC/8 mbar übergegangene farblose Öl ist, laut 1H-NMR, reines Zielprodukt.

Ausbeute: 6.8 g (96%).

Anhang A 173

NHCH3

C10H15N

M = 147.2

Sdp. 110 ºC/20 torr [103]

N(CH3)2

C11H17N

M = 161.2

Farbloses Öl; Sdp. 93-94 ºC/12 torr [108]

N-Methyl-2,4.6-trimethylanylin

6.1 g N-Methylen-2,4,6-trimethylanilin (40 mmol) wurden unter Stickstoff bei T=95 ºC ge-

schmolzen und mit 50 ml abs. THF versetzt. Die klare Lösung wurde unter ständigem Rüh-

ren und Eisbadkühlen zu einer Suspension von 2.0 g LiAlH4 (52 mmol) in 50 ml THF so

zugetropft, dass die Temperatur nicht über 20 ºC anstieg. Nach Beendigung der Zugabe

wurde noch 2 h bei der Raumtemperatur weitergerührt.

Das Reaktionsgemisch wurde dann in kleinen Portionen in 200 g Eiswasser gegossen und

mit 3x200 ml Äthyläther ausgeschüttelt. Das Extrakt wurde über NaOH getrocknet und,

nach dem Abtreiben des Ethers, wurde der ölige Rückstand i.Vak. destilliert. Farbloses Öl,

Sdp. 85-86 ºC/11 mbar.

1H-NMR (CDCl3): δ = 6.81 (s) – 3-H, 5-H; 2.74 (s) – N-CH3; 2.24 (s) – 2-CH3, 6-CH3;

2.20 (s) - 4-CH3; 13C{1H}-NMR (CDCl3): δ = 145 – 1-C; 131 – 4-C; 129.5 – 2-C, 6-C; 129.4 – 3-C, 6-C;

36 – N(CH3); 20.6 – 4-CH3; 18 – 2-CH3, 6-CH3.

N,N-Dimethyl-2,4.6-trimethylanylin

20 g TMA (148 mmol) wurden innerhalb von 40 Minuten in 50 g auf 145 ºC erhitztes Di-

methylsulfat (417 mmol) eintropfen lassen und dann noch 20 Minuten bei dieser Tempera-

tur gerührt. Nach dem Erkühlen wurde die rot-braune Lösung in 500 g Eis gegossen, mit

220 ml 4N-NaOH (0.88 mol) alkalisiert, über Nacht gerührt und erschöpfend ausgeäthert.

Der Extrakt hinterließ nach dem Abtreiben des Ethers ein rotes Öl, das an einer Vigreux-

174 Anhang A

Kolonne i.Vak. destilliert wurde. Das bei 89-91 ºC/10mbar übergehende farblose Produkt

enthielt 80% N,N-Dimethyl-2,4.6-trimethylanylin und 20% von monomethyliertem TMA.

Die Zerlegung dieses Gemisches erfolgte durch das Azetylierung-Verfahren. Das technische

Produkt wurde mit 25 ml Essigsäureanhydrid versetzt, über Nacht bei Raumtemperatur ge-

rührt, danach auf 200 g Eis gekippt und mit 50 g 40%-iger NaOH (0.5 mol) alkalisiert.

Anschließend wurde mit 3x200 ml EE ausgeschüttelt. Aus dem Extrakt ließ sich Dimethyl-

TMA mit verdünnter Salzsäure extrahieren (2x150 ml 8%-iger HCl). Die aus Chlorhydrat

durch Neutralisation und Extraktion in Freiheit gesetzte Base wurde wieder i.Vak. destilliert.

Das gewonnene Produkt ist reines N,N-Dimethyl-2,4.6-trimethylanylin.

Ausbeute: 12.3 g (52%).

1H-NMR (CDCl3): δ = 6.80 (s) – 3-H, 5-H; 2.80 (s) – N(CH3)2; 2.28 (s) - 2-CH3, 6-CH3;

2.24 - 4-CH3. 13C{1H}-NMR (CDCl3): δ = 147 – 1-C; 137 – 2-C, 6-C; 134 – 4-C; 129 – 3-C, 5-C; 42

- N(CH3)2; 20.5 - 4-CH3; 19.0 - 2-CH3, 6-CH3.

Entsprechend wurden aus 4.0 g TMA-d9 und 20 g Dimethylsulfat 2.6 g N,N-Dimethyl-

TMA-d9 synthetisiert

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